平面光学系统综述：基于超构表面的透镜
2026-03-29 09:40:02 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统综述了超构透镜领域的最新研究进展。首先阐述了超构透镜的基本物理原理与调制机制；随后根据构成材料将其分为等离激元型与介质型两类，根据功能又将其划分为可调谐超构透镜、宽视场超构透镜及消色差超构透镜，并重点阐述了该领域的若干最新研究成果。
超构透镜（Metalenses）是近年来基于超构表面（Metasurfaces）开发的一类新型先进的平面光学器件，能够以极高的自由度对入射光的振幅、相位和偏振进行调控，以满足各类应用需求。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国计量大学井绪峰教授团队在Electronics期刊上发表了题为“Review of Planar Optical System: Lens Based on Metasurfaces”的综述文章。文中系统综述了超构透镜领域的最新研究进展。首先阐述了超构透镜的基本物理原理与调制机制；随后根据构成材料将其分为等离激元型与介质型两类，根据功能又将其划分为可调谐超构透镜、宽视场超构透镜及消色差超构透镜，并重点阐述了该领域的若干最新研究成果。本文旨在对超构透镜技术进行系统性综述，同时为先进光学系统提出新的设计范式。
I 基本原理
2011年，哈佛大学卡帕索（Capasso）团队首次在两种介质界面处引入突变相位，并基于费马原理（Fermat’s principle）从一维视角推导出异常折射与反射现象，提出了广义斯涅尔定律（Generalized Snell’s law）。该定律为光场调控提供了新的自由度，能够在极小尺度上实现光波前相位与振幅的调控，对变换光学与集成光学具有重要意义，推动了光学透镜的轻薄化与集成化发展，为二维超构表面的设计奠定了基础。
用于推导广义斯涅尔折射定律的示意图
相位梯度法是超构透镜设计与表征的核心技术之一，其基本原理是通过在界面处引入相位突变，实现光的异常反射与折射。基于广义斯涅尔定律，相位梯度能够为透射和反射光子提供有效的波矢分量，使光沿预设方向传播。该方法的优势在于能够突破传统衍射光学元件的局限，实现高效的单光束调控，并避免产生多个衍射级次。
利用超构表面实现电磁波前调控的主要原理大致可分为三类：共振相位、传播相位和几何相位。
（a）电偶极子与磁偶极子的场分布；（b）通过调控共振型超构原子尺寸实现振幅与相位调制；（c）非晶硅圆柱的磁能分布。（d）庞加莱球几何相位示意图。
II 等离激元超构透镜
等离激元超构透镜根据其原理与特性，可分为表面等离激元超构透镜（spp-based metalenses）和局域表面等离激元共振超构透镜（lspr-based metalenses）两大类。表面等离激元（SPP）是沿金属与介质界面传播的电磁波。表面等离激元超构透镜的核心在于通过设计纳米结构激发并调控SPP的传播相位，实现倏逝波的恢复与放大。局域表面等离激元共振（LSPR）可通过控制金属纳米结构的尺寸与几何形状，实现共振频率可调，并借助局域场增强实现亚波长尺度的光场操控。与传播型表面等离激元相比，LSPR具有更优异的场局域特性与更高的设计灵活性。
等离激元超构透镜
III 介质超构透镜
介质超构透镜是一种基于亚波长共振纳米结构的新型光学元器件，其核心原理是通过设计高折射率介质纳米结构，在界面处引入相位突变，从而调控电磁波的振幅、相位及偏振分量，实现波前的完全操控。与依赖金属材料且存在较高欧姆损耗的等离激元超构透镜相比，介质超构透镜能够避免光频段下的高欧姆损耗。截至目前，根据对光场相位的调控机制，介质超构透镜大致可分为三类：潘查拉特南-贝里（Pancharatnam–Berry）相位型介质超构透镜、高对比度型介质超构透镜和惠更斯型介质超构透镜。不同机制的超构表面在设计上也存在差异。
介质超构透镜
IV 可调谐超构透镜
可调谐超构透镜凭借其超薄、平面化、可集成、动态响应的特性，为实现无需机械运动的快速、紧凑型电控或光控变焦提供了革命性方案，其基本原理是通过外部刺激动态改变构成超构表面的亚波长结构单元的物理属性（例如折射率、取向、形状、位置等），从而实时调控入射光波前的相位分布，实现焦距的动态可调性。根据纳米结构的调谐机制不同，可分为光调谐、电调谐和机械调谐三大类。
可调谐超构透镜
V 大视场超构透镜
在成像系统中，透镜的视场（FOV）是成像的关键指标之一。超构透镜因其亚波长结构单元具备精确的波前调控能力，为实现轻量化、大视场光学系统提供了新路径。在实际应用中，能够实现大视场成像的超构透镜更具吸引力且市场需求迫切。近期的研究进展提升了其效率与功能，使超构表面衍射光学元件的性能能够与传统光学元件相当甚至更优。通过诸如曲面基底设计和双层结构优化等方案，大视场超构透镜将视场角扩展至170°，并验证了其在增强现实/虚拟现实显示及平面相机等领域的应用潜力。
大视场超构透镜
VI 消色差超构透镜
色差是超构透镜成像中主要的像差来源。根据广义斯涅尔定律中相位梯度决定光束偏转方向的原理，超构透镜具有无球差的特性，但由于聚焦所需相位随波长变化而产生较大色差，即便这些器件由弱色散材料构成，其色差问题依然非常显著。消色差超构透镜通过多波长设计、垂直堆叠结构、双折射单元调控等策略，将消色差带宽从离散波长逐步拓展至超宽带，为全色成像提供了可能。
消色差超构透镜
总体而言，超构透镜凭借其平面化、微型化、高集成度以及对光波相位、振幅和偏振的精确调控能力，在替代传统透镜、构建新一代紧凑型光学系统方面展现出巨大潜力。
目前，超构透镜的主要局限包括成本问题与核心性能问题。在成本方面，厘米级元件的精度与纳米级元件的精度难以匹配，需要极高的成本；同时，超构透镜相关材料的加工对现有工业加工基础提出了进一步的需求与挑战。例如较为常见的深紫外光刻、电子束刻蚀与原子层沉积技术，虽能满足纳米级的加工精度要求，但加工区域仅局限于毫米级，且成本极高。随着新型制造工艺技术的发展与进步，相信在不久的将来，能够开发出可实现大尺寸、高性能、工业流水线式生产的超构透镜技术。
此外，由于超构透镜属于衍射成像元件，色散问题仍是其走向实际应用的主要障碍。现阶段消色差超构透镜仍存在带宽有限、大口径下效率降低等问题。亟需进一步探索新的色散调控机制（例如超构材料等效参数设计、多物理场耦合调控等），并结合人工智能（AI）辅助优化算法，实现宽带宽（例如可见光至近红外）、大口径、高效率的消色差聚焦，以满足全色成像与光谱分析等应用需求。开发更大带宽的超构透镜是未来的研究趋势之一。
论文链接：https://doi.org/10.3390/electronics14214322
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