超构表面推动平面光学迈向信息光学新阶段
2026-10-18 16:19:08 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

过去二十年的发展表明，推动超构表面从新型光学理念迈向实用技术的核心，是依托半导体制造工艺，将复杂光学功能可靠集成于单层可量产结构，同时挖掘传统透镜未充分利用的光学信息。

据麦姆斯咨询报道，近期，哈佛大学研究人员在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“How metasurfaces transformed flat optics into information optics”的评论文章，回顾了超构表面技术二十余年的发展历程与产业演进路径。超构表面之所以走向实用，关键在于其将传统大体积光学分立组件的功能集成于单层可规模化量产结构，通过对光的偏振、光谱和角度进行区分与调控，为后端计算系统提供超出图像本身的丰富信息，从而推动平面光学迈向信息光学新阶段。

范式转变：超构表面从追求器件平面化到实现功能创新

早期的超构表面研究主要关注以平面器件替代传统光学器件，但真正推动超构表面发展的是其利用亚波长表面微纳结构，为光学系统赋予了传统透镜难以实现的新功能。

超构表面由间距小于工作波长的微纳结构组成，可调控透射或反射光束。与传统透镜、波片沿传播路径逐渐积累光学效应不同，超构表面在远小于单个波长的尺度内直接对入射光施加相位变化。通过光学设计，每一个超构原子结构都可以独立调控局域光的相位、振幅与偏振态，最终大量超构原子协同实现全局光学功能。相比菲涅耳透镜、闪耀光栅等衍射器件，超构表面的调控能力可拓展至亚波长尺度上的多个光学自由度。

自2000年代中期起，各类超构表面原理验证成果不断涌现，光束偏转、全息成像、涡旋光束生成、平面透镜、波片等传统光学功能都能够通过平面结构实现，推动了光学器件的平面化研究进展，但超构表面从功能演示走向实际应用，仍需突破性能与制备工艺限制。

早期的超构表面普遍存在工作带宽窄、偏振依赖性强、有效面积小、光学效率低等问题，金属等离激元结构还面临材料吸收和无用衍射损耗等限制。尽管色散工程推动了消色差超构透镜的发展，但在可见光宽波段内同时达到相机镜头的口径、效率和视场水平仍有困难。若仅追求“更薄的透镜”，就必须与工艺成熟、成本较低的折射光学竞争。此外，电子束光刻虽能制备高质量的单件超构表面器件，但大规模量产的难题始终未能解决。

此后，超构表面的研究逐步从器件平面化转向性能提升与功能创新。约从2015年起，高折射率介质结构提高了超构表面的透射效率和相位、偏振调控能力，随后可见光超构透镜、色散工程及面向目标响应优化几何结构的逆向设计进一步提升了其性能。随着实测光学效率提高、像差降低，超构透镜逐渐可以和传统商用透镜对标，研究重点也开始转向新功能的探索。

核心价值：超构表面贡献信息增量与多功能集成

超构表面可以利用半导体制造工艺，在单层、同一孔径内集成多种光学功能，并获取普通透镜会丢弃的光自由度信息（尤其是偏振信息）。通过独立设计超构原子的形状与取向，偏振和光谱响应等原本需要增加元件才能控制的特性，可直接编码于表面图案。这种功能创新与系统集成有效体现了其应用价值。

超构表面第一重核心价值是信息获取能力的提升。在计算成像中，光学器件与算法协同设计，超构表面可作为光学预处理器，按算法需求编码信息，而不必独立形成完美的图像。例如，光场超构透镜阵列形成多个视图，再通过计算恢复深度。在无需算法重建的光谱分析中，色散定制的超构表面可集成分光、聚焦与像差校正，替代光栅及其配套聚焦元件。近红外消色差超构透镜也已用于相干拉曼散射成像，为简化体积较大、需精密对准的光学系统提供了可能。

基于超构透镜阵列的光场成像示意图

图1 基于超构透镜阵列的光场成像示意图

超构表面第二重核心价值是通过多功能集成缩小光学系统的体积。单个超构原子可同时调控多个自由度，使同一孔径集成多种功能，并用于无标记生物传感中的光汇聚，以及可穿戴显示器的视场拓宽。例如，自2022年起，意法半导体（STMicroelectronics）直接飞行时间（dToF）测距传感器模块中的超构光学整形器件，在更小体积内实现所需光图案的生成，为智能手机、平板和笔记本电脑提供激光自动对焦与存在检测功能。

集成超构透镜的dToF传感器

图2 集成超构透镜的dToF传感器

典型应用：基于超构表面的偏振成像

偏振成像体现了超构表面在信息增量与体积缩减方面的双重优势。以真实人脸、人脸照片和硅胶面具为例，三者在普通相机看来外观相近，但三者的反射光偏振特性存在显著差异，可为光强成像补充物体表面信息。传统的偏振测量依赖滤光元件、运动部件或多次曝光，难以小型化。矩阵傅里叶光学则通过单个超构光栅实现并行偏振分析，无需传统系统所需的大体积双折射元件，即可构建紧凑的全斯托克斯成像系统。在偏振成像应用方面，哈佛大学孵化企业Metalenz正在推进Polar ID人脸身份验证传感器的产品化。该方案将偏振敏感超构表面键合到CMOS图像传感器上，单次拍摄即可准确区分真实人脸、人脸照片与硅胶面具。

Polar ID：直接集成于CMOS图像传感器顶部的偏振敏感超构表面

图3 Polar ID：直接集成于CMOS图像传感器顶部的偏振敏感超构表面

产业落地：半导体制造工艺推动超构表面规模化量产应用

Polar ID是超构表面应用于光学传感领域的一个缩影。在该领域，超构表面不仅用于成像，更服务于测量与识别。例如，Lumotive开发可通过电子控制方式实现光束转向的可编程超构表面，应用于激光雷达（LiDAR）和3D传感；NIL Technology开发超构光学器件meta-optic，应用于紧凑型相机、点阵投影器和增强现实波导。超构表面的大规模商业影响已经显现，目前面向消费电子设备的超构光学器件累计出货量已达数亿颗，这种规模化应用得益于半导体代工厂及集成电路相关制造工艺。例如，深紫外光刻已用于制备直径达100 mm的全玻璃超构透镜。电子学与光学的这种融合具有颠覆性意义，正在消费电子领域快速渗透。在部分人脸识别和深度感知系统中，单个超构透镜与简单孔径光阑的组合，可替代原有塑料透镜组件，通过校正三阶像差缩小系统体积。近期，卷对卷纳米压印制备超构透镜技术也已得到验证，其通过图案化辊轴对连续运动的塑料薄膜进行压印，可在超过200 m的薄膜上制备超构透镜阵列，生产速度约为每秒300个透镜。

基于卷对卷纳米压印实现大面积超构透镜阵列批量制备

图4 基于卷对卷纳米压印实现大面积超构透镜阵列批量制备

未来展望：超构表面多层集成与可重构功能演进

对于未来技术发展而言，多层集成是超构表面的重要方向。多层集成可增加设计自由度，为实现单层结构难以完成的复杂琼斯与穆勒变换，以及更宽波段和更大角度范围内的校正提供条件。目前，可见光自支撑双层结构已能仅凭两个超构表面实现近乎任意的偏振控制。与集成电路的多层集成类似，超构光学的层间套刻精度也将与层内纳米结构同样关键。此外，超构表面调控对象还可以从偏振拓展至光谱、角度和轨道角动量，结合可调谐或主动超构表面，还可进一步实现器件制成后的功能重构。

自支撑双层超构表面结构