综述：光学超构透镜研究进展，从“独奏者”到“默契乐团”
2026-04-03 06:43:08   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

自古以来，人们便利用光的折射与反射特性，以实现汇聚光线或辅助视觉等基本用途。随着技术的进步，精准控光的需求在光学传感、显微成像、光谱分析、激光测绘等多个领域不断提升。相比电子，光子所具备的快速响应、低能耗以及并行处理特性，也使其成为现代通信技术的核心基础。

1998年，Ebbesen在研究金属纳米孔阵列时发现了异常光透射现象，这标志着利用纳米结构操控光取得了重大里程碑。自那时起，用于波前调控的周期性亚波长结构持续受到关注。超构表面（Metasurfaces）作为该领域的一个重要分支，因其经过人工设计的电磁响应特性而得名。超构表面能够对光学波前实现高空间分辨率的调控，并且设计灵活性极强，可高效甚至同时调制多种光学参数。这些特性已被广泛应用于一系列前沿领域，涵盖光学传感与成像、光学显示、数据存储、信息加密、精密计量，乃至光学计算以及构建光学人工智能（AI）系统等。

作为超构表面技术的典型代表，超构透镜（Metalens）为微型光学系统的发展注入了新的活力。如何突破超构透镜的工作带宽、口径尺寸与数值孔径之间的制约关系，并持续拓展其在前沿领域中的潜力，一直是研究关注的重点。另外，随着光场调控需求的提升，超构透镜逐步向系统化发展。如果说“单个超构透镜”像是一位技艺高超的“独奏者”，可以在特定场景中展现独特的能力，那么“多个超构透镜”协同构成的系统就像一支配合默契的“乐团”，能够实现更复杂、更灵活的光波操控。在此背景下，当前超构透镜的发展正沿着两条主线同步推进：一方面是对单超构透镜性能的持续优化与功能拓展，另一方面则是多超构透镜系统结构的不断演进与应用创新。

据麦姆斯咨询介绍，香港城市大学蔡定平教授研究团队受邀在Opto-Electronic Technology期刊上发表了题为“Progress in metalenses: from single to array”的综述文章。该综述对超构透镜的近期研究进行了结构化概述，按系统复杂度从单超构透镜、双超构透镜到超构透镜阵列逐步展开，以“结构复杂度递进”为主线，梳理了超构透镜从单元优化到系统集成的研究进展。

图1 从单超构透镜到双超构透镜及超构透镜阵列

单超构透镜

文章首先回顾了在超构透镜研究中长期面临的核心挑战，例如扩大消色差带宽、提升孔径尺寸等，并介绍了在这些方向上的代表工作与关键突破。此外，研究人员进一步整理了超构透镜与新兴光学概念相结合而形成的前沿进展，包括基于非局域共振的窄带聚焦设计、借助非线性材料实现对红外光与紫外光波段的功能延伸，以及针对提升量子光源效率与调控能力方面的应用探索。

图2 消色差超构透镜示例

图3 非局域超构透镜示例

图4 非线性超构透镜示例

双超构透镜与超构透镜阵列

随后，该综述聚焦于双透镜系统，并根据空间结构将其分为垂直叠层与水平排列两类，前者不仅能提供更灵活的像差控制，还能通过引入透镜间的相对位移实现变焦功能；后者则模仿人眼视觉机制，所构建的双目超构透镜系统展现出在智能距离感知等方面的强大应用潜力。

图5 基于双层超构透镜的消色差设计

图6 用于立体视觉的双目超构透镜示例

作为更复杂的系统形式，超构透镜阵列具备高维光场调控与并行成像能力，适用于更复杂的系统级光学任务。对于这部分的内容，该综述主要讨论了三类典型应用场景：用于三维重建的积分成像、面向精密测量的光场成像，以及产生高维、多光子纠缠态的量子光源。

图7 用于3D成像的超构透镜阵列示例

图8 用于量子光学的超构透镜阵列示例

总结与展望

该综述从结构角度梳理了超构透镜领域的近期进展，通过分析单超构透镜、双超构透镜和超构透镜阵列三种配置下的代表性研究，阐述了从功能增强到系统级集成的研究脉络，揭示了超构透镜正朝着更复杂、可扩展且多功能的光学架构发展。

尽管已取得显著进展，但该领域仍存在若干技术挑战。对于单超构透镜，在紧凑且结构最优的配置下，同时实现连续宽带消色差性能与大孔径设计仍颇具难度。窄带方案也面临品质因数、效率与成像保真度之间固有的权衡问题。在多透镜系统中，可调双合超构透镜的变焦范围、双目超构透镜的视场等关键性能参数仍需进一步优化。对于超构透镜阵列，更为复杂且异质化的设计尚有待充分探索。此外，人工智能（AI）已越来越多地应用于逆向设计。然而，受计算成本、制造复杂度以及数据依赖、模型鲁棒性等问题的制约，其实际应用仍然有限。

超构透镜有望成为下一代应用的核心组成部分，包括但不限于智能光学系统、光通信网络以及高精度仪器设备。展望未来，突破传统理论与设计范式、拥抱新兴工具与跨学科研究方法，将为未来的相关研究带来巨大助力。最后，该综述提出了三个可能的研究方向，以期为该领域的发展贡献力量。

消色差设计的新原理

单层消色差超构透镜在带宽、数值孔径和孔径尺寸之间的基本权衡关系是基于每个超构原子表现为孤立的截断波导这一假设推导得出的。要克服这些限制，需要引入共振效应，并探究多重共振之间的耦合机制。基于集成共振单元等技术进展，未来的发展可能会进一步将这一框架拓展到更复杂且可调控的相互作用研究。

图9 超构透镜研究的未来方向

未来的理论进展可能会沿着两个有前景的方向推进。一是充分探索和利用不同电磁模式之间的耦合，包括局域和非局域两类模式，以及调控这种耦合的策略。二是纳入替代的电磁响应模型。此外，基于连续梯度相位结构的超构表面或许能为提升透镜效率提供途径。

超构透镜系统设计的新方法

研究人员已开发出多种用于超构表面设计的优化策略，包括物理辅助算法以及基于神经网络的方法。这类方法可以从大型数据集中学习，提供针对特定光学需求的可靠解决方案。通过建立超构表面结构的几何参数与其光学响应之间的映射关系，这种数据驱动型方法大幅降低了对传统全波电磁仿真的依赖。该方法在消色差和大孔径超构透镜的设计中均展现出潜力。传统正向设计方法往往受限于对已知启发式规则、直观物理规律以及结构可预测形式的依赖，这限制了对复杂高维设计空间的探索。相比之下，逆向设计有望生成具有高自由度的结构，例如不规则几何形状和非均质材料组成等。

超构透镜的成像应用仍然最为普遍。由于通过硬件设计实现消色差和无像差性能仍具有挑战性，研究焦点可能转向利用成熟的计算方法进行制造后图像校正，例如光电计算融合。最近，研究人员开始探索超构透镜设计与神经重建的联合优化，以在保证高成像质量的同时，平衡处理时间和能耗，提升整体系统效率。

新功能与应用

除了本综述中讨论的内容，单超构透镜在多功能集成方面也展现出潜力。此外，超构透镜无需校正色散，反而可以利用色散进行光谱分析。这些研究方向为未来超构透镜的研究开辟了更广阔的功能领域。

超构透镜阵列在并行光学处理方面具有固有优势。然而，此类阵列不应仅被视为相同元件的简单复制。更深远的功能拓展在于为每个超构透镜分配独特的调制特性。

在更高密度的透镜阵列中，非均匀透镜设计既体现为功能多样性，也表现为精心设计的排布方式，例如密集排列的六边形布局，或是带有预设空位的随机分布。随着阵列尺寸的增大，设计自由度也相应扩大，使得多功能集成能够突破传统的成像和聚焦应用。可以预见，这类先进的阵列将在高维测量、光学神经网络以及高密度安全通信系统中发挥变革性作用。最后，多超构透镜系统的排布可能不再局限于平面阵列，同时具备横向与轴向排布的构型也值得进一步探索。

论文信息：DOI: 10.29026/oet.2025.250004

延伸阅读：

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》