超構表面在三維成像與顯示技術中的應用

池漢彬，段輝高，3，胡躍強，2*

（1.湖南大學 機械與運載工程學院 國家高效磨削工程技術中心，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 深圳研究院 微納光學器件先進制造實驗室，廣東 深圳 518000；3.湖南大學 粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 511300）

1 引 言

成像與顯示是將研究對象的光場信息通過圖像形式進行記錄，再通過顯示設備再現(xiàn)圖像信息的過程。目前，成像與顯示技術通常只涉及二維光強信息和色彩信息，缺失了場景深度、目標幾何形態(tài)和空間遮擋關系等關鍵的三維信息，使得人們只能通過二維窗口去觀察三維世界。隨著人類社會和信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)二維成像與顯示技術已經無法滿足機器和人眼的需求，對于機器而言，獲取更多維度的信息能夠保證信息輸入的完備性，充分發(fā)揮計算機的決策能力；對于人眼而言，人們希望能夠直接觀看到真實的立體場景，獲得沉浸式觀看體驗。近年來，隨著高清晰度高速傳感器的出現(xiàn)以及計算機運算能力的提升，三維成像與顯示技術得到了深入的研究，并逐漸應用到自動駕駛、機器視覺、智能制造、人臉識別與檢測、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）及虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）等多個領域中［1-2］。

三維成像技術能夠獲取并保存物體的空間三維信息和三維特性，根據(jù)有無光源可分為主動式和被動式。主動式三維成像通過主動照明獲取空間物體的三維信息，需要光源投射和接收裝置作為輔助，這增加了系統(tǒng)的復雜度和功耗。目前廣泛應用的主動式三維成像技術是點云投射、光束掃描和三維斷層掃描。其中，點云投射［3］適合近距離物體的三維探測，處理的數(shù)據(jù)量小，主要應用于手機等終端設備的人臉識別與檢測；光束掃描基于飛行時間法［4］可以實現(xiàn)遠距離三維測距，主要應用于智能駕駛的無人車；3D斷層掃描［5］檢測距離較短，但實時性強，主要應用于顯微系統(tǒng)中的動態(tài)樣品立體成像或表面輪廓檢測。被動式三維成像技術通過透鏡成像獲取包含三維信息編碼的圖像，系統(tǒng)的復雜度和功耗較低，可以分為透鏡陣列型和單透鏡型。透鏡陣列型三維成像是一種多目視覺方法［6］，其典型代表是光場成像［7］，通過透鏡陣列將光線分散調制到圖像傳感器的不同位置，然后基于獲取的傳感器數(shù)據(jù)拼接成不同視角的圖像陣列，使用算法可以從這些圖像中估計出深度信息。傳統(tǒng)光場成像受到微透鏡性能缺陷和本身原理的局限，難以實現(xiàn)高空間分辨率成像［8-9］。單透鏡型三維成像是一種基于計算重建深度的單目視覺方法［10］，利用聚焦、離焦或者移動視差獲取深度感知［11］?；跇藴庶c擴散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）的離焦成像法［12］，通過獲取不同離焦程度下的焦深圖像序列，但是不同焦深圖像的PSF類似，導致測量精度有限。三維點擴散函數(shù)（3D-PSF）隨著物體深度的不同而產生相應的響應，因此可建立3D-PSF與物體深度的對應關系［13］。3D-PSF相比標準PSF可實現(xiàn)精度和可靠性更高的離焦深度成像，但是基于傳統(tǒng)衍射元件的3D-PSF目前存在效率低、體積龐大且難以集成的缺陷。

三維顯示技術能呈現(xiàn)出立體逼真的畫面，圖像不再局限于平面，讓觀眾有身臨其境的感觀。根據(jù)是否需要佩戴輔助設備，三維顯示技術可分為裸 眼三維顯示［14］和助視式 三 維顯示［15-16］兩 大類。全息三維顯示［17-18］和光場三維顯示［19］歸類于裸眼三維顯示，無需佩戴設備即可觀看到具有深度信息的三維影像，極大提升了觀看的自由度和舒適度。全息三維顯示是未來深度沉浸式裸眼三維顯示的理想方法［20］。它包括記錄和再現(xiàn)兩個過程，記錄過程指用光的干涉原理將物光波的振幅和相位信息以干涉條紋的形式記錄在感光介質上；再現(xiàn)過程指利用光的衍射原理將特定光線照射在記錄介質上，重建出物光波的振幅和相位信息實現(xiàn)逼真的三維顯示。光場顯示作為光場成像的逆過程，使用微透鏡陣列或柱透鏡陣列等光場調制器件將編碼的光場信息投射到空間中的不同方向，形成由非相干光產生的具有連續(xù)視差的真實光場三維場景。光場顯示相比于全息三維顯示所需數(shù)據(jù)量較小，被認為是目前最具前景的裸眼三維顯示技術之一。AR和VR是學術界和工業(yè)界的新興領域。虛擬圖像以沉浸式和交互方式呈現(xiàn)，從而為各種應用程序提供新的用戶體驗。AR和VR領域的主要平臺設備是近眼顯示器［15-16］，作為下一代交互式顯示器，呈現(xiàn)充滿用戶整個視野的虛擬數(shù)字圖像（VR），或者與真實場景的透視圖相結合（AR），能夠提供生動的三維視覺體驗。

三維成像與顯示設備關注多方面的性能要求，包括寬視場、大數(shù)值孔徑、高分辨率、連續(xù)視差和小型化等方面，然而現(xiàn)有的三維成像與顯示設備受到傳統(tǒng)光學元件性能缺陷的限制，難以同時滿足這些需求。例如，傳統(tǒng)折射光學元件通過累計的厚度量來改變單一光學參量，造成功能單一、體積龐大和難集成的缺陷。隨著光電子科學技術以及光子集成器件的飛速發(fā)展，發(fā)展高效率、集成化和緊湊型三維成像與顯示系統(tǒng)成為研究的熱點［21］。近年來，一種由亞波長尺度的單元結構排布組成的超構表面［22-25］為開發(fā)輕薄光學多功能器件提供了變革性的解決方案。超構表面利用亞波長尺度下光與物質的相互作用，通過合理排布并調整納米單元的形狀、大小、位置和取向，對局部電磁場的偏振［26-27］、振幅［28-29］、相位［30-31］和頻率［32］等傳播特性進行任意操縱，為人工調控電磁波提供了豐富的自由度。研究者開發(fā)出了各種功能新穎的超構表面，并成功應用于全息顯示［33-35］、超構透鏡［36-39］、光束整形［40-44］以及非線性光學［45-47］等領域。超構表面具有多功能、輕薄化、平面化和易集成等優(yōu)勢，有望突破傳統(tǒng)三維成像與顯示設備的瓶頸，為新型緊湊型三維成像與顯示設備提供新方案，因此具有廣闊的應用前景。

本文主要綜述了超構表面在三維成像與顯示技術中的應用進展，對主動式和被動式三維成像進行討論，其中主動式成像包括點云投射、光束掃描和3D斷層掃描，被動式三維成像包括透鏡陣列型和單透鏡型。然后，介紹了全息顯示、光場顯示和近眼顯示3種三維顯示技術。最后，對超構表面在三維成像與顯示技術中面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向進行了展望。

2 超構表面在三維成像領域的應用

傳統(tǒng)的三維成像設備由于光源輔助和透鏡級聯(lián)等問題，需要較大體積的設備作為支撐，因此研究體積小、輕量化和易集成的緊湊型三維成像設備成為目前學術界和工業(yè)界的研究熱點。超構表面具有對光束的靈活調控能力以及超輕超薄易集成的特性，能為實現(xiàn)新型三維成像設備提供一條新的途徑。本文回顧了超構表面在主動式和被動式三維成像領域中的應用進展。

2.1 主動式三維成像

主動式三維成像需要配備光源，通過對光源進行發(fā)射和調制來獲取空間物體的三維信息，該系統(tǒng)較為復雜，包括激光器、投射器和接收器等設備。根據(jù)成像原理和對光源調制方式的不同，主動式三維成像技術可以分為點云投射、光束掃描和3D斷層掃描。

2.1.1 點云投射

點云投射是結構光照明［3］中的關鍵技術，使用投射器將準直激光束按照一定的規(guī)則和模式進行編碼重新分配后發(fā)射到物體空間中，產生具有均勻強度的點云陣列，然后采集反射回來的隨著物體距離和表面三維形貌的不同而發(fā)生形變的圖案，再計算圖案中每個像素的形變量，獲得物體的深度信息實現(xiàn)三維成像。點云投射的性能指標主要包括視場、衍射效率和光斑均勻性。傳統(tǒng)點云投射使用衍射光學元件（Diffractive Optical Elements，DOEs）［48］來實現(xiàn)，通過不同高度的臺階實現(xiàn)0～π的相位調制，在加工時使用復雜的套刻工藝，對加工提出了較大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)DOEs的大光柵周期使得在大視場角時受到非期望衍射階次雜散光的影響，光束衍射效率下降和強度均勻性差，因此DOEs的視場范圍有限。超構表面通過亞波長結構單元陣列的諧振或波導響應實現(xiàn)0～2π相位的任意調控，具有更大的設計自由度、亞波長空間分辨率和多參量調控的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)大視角、高衍射效率、強度均勻以及選擇性衍射等點云投射功能。超構表面采用標準半導體制備工藝，只需一次刻蝕即可完成加工，具有超輕薄和易集成的優(yōu)勢，能與激光器等其他光學元件集成，促進了微型輕薄化三維成像技術的發(fā)展。

針對傳統(tǒng)DOEs用于大視場點云投射時存在衍射效率低和光束強度均勻性差的問題，Ni等［49］開發(fā)了一種偏振無關的硅基超構表面衍射光學元件，實現(xiàn)了具有120°×120°視場角，強度均勻且高效率的2D結構光點云陣列投射，如圖1（a）所示。作者使用矢量電磁仿真對超構表面的結構參數(shù)進行優(yōu)化，納米單元采用4倍旋轉對稱性的超晶胞設計消除了偏振依賴性，可在1 550 nm的電信波長下工作，衍射效率高達81%。為解決傳統(tǒng)DOEs只能實現(xiàn)2π半空間點云投射的限制，Li等［50］提出了一種基于非晶硅的Hermitian共軛加擾超構表面，在不考慮入射光偏振狀態(tài)的情況下同時實現(xiàn)透射和反射模式，生成了具有壓縮信息密度的4π全空間隨機點云，如圖1（b）所示。由加擾超構表面生成的單個衍射光束衍射角度接近90°，視場角（Field of View，F(xiàn)OV）接近180°，因此可以在透射和反射下實現(xiàn)4-全空間的隨機點云生成，并且具有高信息容量（4 404個隨機點云），能夠輔助結構光3D成像。在生成制備加擾超構表面時使用非晶硅材料和光刻等成熟的半導體制造工藝，有利于商用大批量生產。超構表面也可將光分裂和衍射成具有所需輪廓的多個光束，實現(xiàn)點云的選擇性投射。Song等［51］利用基于幾何相位的介質超構表面對入射圓偏振光的復振幅進行調制，實現(xiàn)了光束衍射級次選擇性出射。該超構表面展示了選定的衍射級出射形成帶有單詞“META”的圖案，而其他衍射級則被抑制，如圖1（c）所示。實驗表征了其衍射級的分布均勻性和角度，具有極高的傳輸效率，并且易于集成到復雜系統(tǒng)，可以用于各種光學檢測中。在點云投射中，對光束進行大面積像素化控制能良好地輔助三維成像，但是在制造上存在挑戰(zhàn)和困難。隨著光刻技術的發(fā)展，超構表面大面積圖案化成為可能。Li等［52］運用浸沒式光刻技術在12英寸玻璃晶圓上制備了尺寸為2 500μm×2 500μm的大面積像素化超構表面光束偏轉器。如圖1（d）所示，21×21的光束偏轉器陣列可同時生成441個隨機點，或者通過切換光束偏轉器的像素點來進行逐像素光束轉向，即每個像素設計特定的彎曲角和定向角，以控制傳輸光束的傳播方向。

圖1 超構表面實現(xiàn)點云投射Fig.1 Point cloud projection by metasurfaces

超構表面與光源進行片上集成是使主動式三維成像設備進一步輕量化和小型化的有力解決方案。比較常見的激光器是垂直腔面發(fā)射激光 器（Vertical Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL），其結構由布拉格反射層和多量子阱增益介質組成，它發(fā)射垂直于晶圓表面的相干激光束。相比發(fā)光二極管（LED）和邊發(fā)射激光器（EEL）等其他激光器，VCSEL具有閾值電流小、低功耗、晶圓級測試、圓形輸出光束輪廓、發(fā)射角小、調制速度快，以及能夠進行大規(guī)模2D陣列制造的優(yōu)勢，因此成為集成光子應用的首選。VCSEL可以發(fā)射更高光束質量的激光束，有利于實現(xiàn)高衍射效率的大視場點云投射。單模VCSEL發(fā)射的散度通常超過10°，需要額外的光學元件進行光束整形。大多數(shù)用于結構光點云投射的超構表面都只是充當光路系統(tǒng)中一個光束整形的器件，仍然存在小型化的空間。因此，將光源和光束整形器件集成到單一的復合系統(tǒng)中，能夠顯著減小三維成像設備的體積，實現(xiàn)芯片級三維成像設備。Xie等［53］提出了一種VCSEL集成超構表面（MS-VCSEL）陣列，能實現(xiàn)可編程的激光發(fā)射和完全任意的光束輪廓控制，如圖1（e）所示。他們將VCSEL光源與滿足準直相位輪廓的光輸出耦合介質超構表面進行集成，在發(fā)射表面對VCSEL激光束進行整形，不用改變激光腔，散度降低到0.83°，解決了激光系統(tǒng)的衍射問題。因為超構表面結構是整體集成在VCSEL上，所以互連光損失最小，傳輸效率高達80%。對MSVCSEL陣列中每個像素的特定電極偏置進行編程，該片上設備可以將光線發(fā)射到所需的方向，且不影響整體激光的特性，但點云投射的視場有限。Wang等［54］實現(xiàn)了更大視場范圍結構光點云投射的超構表面片上VCSEL集成設備，該設備具有多通道光束陣列生成、高達60°的片上大角度光束轉向以及寬視場（約124°）的晶圓級全息光束整形，如圖1（f）所示。

2.1.2 光束掃描

在光檢測和激光測距（Light Detection and Ranging，LIDAR）［55］三維成像技術中，為了保證較長的探測距離和較高的精度，需要使用額外的器件進行光束掃描。傳統(tǒng)LIDAR掃描方式使用可移動的反射鏡通過掃描方位角和俯仰角來覆蓋整個空間，需要使用機械轉動裝置，難以實現(xiàn)小型化，且容易受到外部沖擊和振動的影響。光學相控陣（Optical Phase Array，OPA）掃描方式存在激光功率插入損耗，對光學系統(tǒng)的功耗要求較高，需要解決系統(tǒng)熱管理的關鍵問題。超構表面具有強大的光場調控能力，因此人們將超構表面應用于光束掃描中。超構表面光束掃描方案主要是基于可調諧有源超構表面，將超構表面與透明導電氧化物（TCO）材料、多量子阱（MQW）、微機電系統(tǒng)（MEMS）、液晶和相變材料等活性介質結合，可對超構表面的相位進行動態(tài)調控，實現(xiàn)光束的動態(tài)掃描。可調諧超構表面有望替代激光雷達的點掃描或線掃描光學元件，解決現(xiàn)有光束掃描元件的瓶頸問題。

2.1.2.1 TCO材料超構表面

TCO材料通過控制電壓來調節(jié)有源層中的電荷濃度，進而改變有效折射率，實現(xiàn)對光束的動態(tài)導向能力，具有高速調制和低電壓偏置的優(yōu)點。銦錫氧化物（ITO）是最常用的TCO材料之一，它在近零區(qū)域（ENZ）時的介電常數(shù)εITO在-1～1之間，使得在近紅外波長時電磁積聚層附近的電場限制增大，具有良好的電可調性能。Huang等［56］提出并驗證了一種柵極可調的超構表面，可以對超構表面反射的平面波的相位和幅度進行動態(tài)電氣控制。如圖2（a）所示，該動態(tài)可調超構表面由Au天線、Al2O3間隔層和ITO襯底組成，其中Au天線用作柵極，ITO作為場效應通道。在天線柵極和底層接地平面之間施加電偏置時，Al2O3/ITO界面上的載流子濃度通過形成電荷積累層或消耗層而增加或減少，實現(xiàn)ITO的復介電常數(shù)的調制，使得入射光與天線的相互作用發(fā)生變化，進而控制反射光的方向。實驗表明，施加2.5 V的柵極偏置電壓，可在10 MHz的調制速率下產生180°的相移和30%的反射率變化。為了證明±1衍射級的偏轉角度，模擬了在施加3.0 V偏置電壓下不同光柵周期的遠場強度，通過選通4，3，2個天線的子組，實現(xiàn)了-40°～40°的大范圍掃描，視場達到80°，如圖2（a）所示。采用結構參數(shù)優(yōu)化的不同天線材料或采用雙門控方法，可進一步增大相位調諧范圍。Shimanesh等［57］提出了雙門控場效應可調諧超構表面天線陣列。如圖2（b）所示，該雙門控超構表面結構由鋁背反射器、柵極電介質/ITO/柵極電介質異質結構和具有“魚骨”圖案的周期性鋁納米天線陣列組成。在每個有源超構表面天線的電介質間隔內具有兩個電荷積累/耗盡層，它們提供了雙門控：一個位于頂部天線與ITO層之間，另一個位于背板反射器與ITO之間，因此每個超構表面元件允許施加兩個串聯(lián)的獨立電壓控制MOS場效應通道。頂部和底部的ITO/柵極-電介質界面在施加的外部偏置電壓下表現(xiàn)出電荷積累或耗盡，這種載流子密度的調制促使ITO層的復折射率大范圍地變化，從而實現(xiàn)更廣泛的相位可調性。在1 550 nm波長下，施加6.5 V偏置電壓，實現(xiàn)了0～303°的連續(xù)相移和89%的相對反射率調制，具有良好的光束控制能力。

圖2 基于TCO材料或MQW架構的超構表面實現(xiàn)光束掃描Fig.2 Metasurfaces based on TCO materials or MQW architecture for beam scanning

Sun等［58］首次成功使用基于TCO的電可調有源超構表面進行了3D深度掃描。如圖2（c）所示，該超構表面由有源氧化銦錫（ITO）層的等離子體諧振器陣列組成，使用兩個單獨的偏置控制0～360°的幅度和相位調制，通過適當?shù)钠媒M合可在恒定反射率下實現(xiàn)0～360°的相位調制或者在恒定相位下實現(xiàn)16%的反射率變化。實驗中，使用四級鋸齒相位光柵進行動態(tài)光束控制，在允許范圍內以任意角度控制光束，邊模抑制比達到2.7 d B。如圖2（c）所示，結合飛行時間原理，成功演示了3D距離測距，能夠以＜4 cm的精度測量長達10 m的距離，掃描角度、角度步長和分辨率分別為6°×4°，0.2°×0.2°和31×21=651。如圖2（c）所示，3D測距中測量與實際距離之間的誤差低于0.3 m，并且由于超構表面陣列的高分辨率，圖像邊緣可以很好被檢測出來。2021年，三星在該文章的基礎上開發(fā)了一款全固態(tài)掃描儀［59］，使用相同結構配置的電可調等離子體超構表面陣列組成的空間光調制器（Spatial Light Modulator，SLM）實現(xiàn)光束掃描功能，如圖2（d）所示。在頂層和底層施加兩種不同的電壓偏置，可以獨立調整反射系數(shù)的實部和虛部，實現(xiàn)360°的幅度和相位控制，提供完整的波前調制。雖然該器件的掃描角度僅為8°，衍射效率僅為1%，但是具有5.4 MHz的切換速度和283 fJ/μm-2的能耗。圖2（d）為1.56μm工作波長下激光雷達系統(tǒng)3D深度探測的效果，模擬街景由模型車和人組成，人物、模型車和屏幕的距離分別為2.4，3.4和4.7 m，獲得了掃描區(qū)域深度圖，所有目標的測量值和實際距離相一致，通過提高設備效率和邊模抑制比以及優(yōu)化發(fā)射器和接收器的光學配置，可以進一步提高檢測范圍和精度。

2.1.2.2 MQW半導體超構表面

量子阱（Quantum Well，MQW）是一種產生量子尺寸效應的異質結半導體激光器架構。MQW體系結構可在可見光和近紅外波段依靠電光調制實現(xiàn)快速光折射率調制，能實現(xiàn)高達k MHz的調制速度，廣泛應用于高端光電子器件中。隨著超構表面的發(fā)展，基于MQW半導體架構的超構表面被提出。早在2014年Lee等［60］將MQW架構與等離子體超構表面結合，實現(xiàn)了具有納秒級響應時間和中紅外寬調諧范圍的電可調器件。如圖2（e）所示，220 nm厚的MQW半導體層夾在接地平面和等離子體納米諧振器圖案化的金屬層之間，在672 nm和712 nm波長附近實現(xiàn)了強表面吸收（或反射率）的調制，將偏置電壓從0 V更改為+5 V，在712 nm波長處出現(xiàn)超過30%的吸光度變化，因此可用于光束控制。Wu等［61］開發(fā)了一種在可見光或近紅外波段工作的基于電光可調諧III-V多量子阱的全電介質有源超構表面平臺。如圖2（g）所示，超構表面的外延III-V異質結構由GaAs襯底、分布式布拉格反射器（DBR）和1.23μm的未摻雜MQW層組成，簡稱MQW/DBR/GaAs。MQW可在915～920 nm波長的近帶隙區(qū)域中調制0.01～0.05的折射率實部，并且通過將超構表面與Mie共振和導模共振的混合，部分蝕刻的雙縫MQW光柵結構使得在916 nm和963 nm附近的反射率下降。在7 V偏置電壓下增強了917 nm波長附近的電光調制，從而產生約270%的反射率變化和70°的相移。MQW折射率實部的電光調制會引起反射光的紅移，通過實驗驗證了動態(tài)光束轉向的功能，施加3 V的偏置可以產生大約10°的掃描角（20°FOV），并且可對MQW超構表面陣列上的每個單元元件進行單獨電控。

MQW半導體超構表面架構最顯著的優(yōu)點是可以直接在III-V組晶圓上單片生長，并與LED、邊緣發(fā)射器和VCSEL等光源同時集成，使設備整體更加小型化。比較典型的激光光源是LED，它發(fā)出非相干的朗伯形狀光，具有低成本、低功耗和長壽命等優(yōu)點，但是需要額外的光學系統(tǒng)來精確控制發(fā)射光的波前。大多數(shù)超構表面只能在大空間相干性的激光照射下才能正常工作，而LED的大角度朗伯散射模式和空間低相干性，使得超構表面器件難以在LED上集成。Khaidarov等［62］通過將GaP LED架構與超構表面集成來控制發(fā)射光柵的特性，GaP LED結構由多個量子阱（MQW）組成，發(fā)射波長約為620 nm，如圖2（f）所示。這種設計極大地減少了LED發(fā)射角度，可根據(jù)超構表面的相位分布來引導和塑造發(fā)射光束。如圖2（f）所示，該集成超構表面可以實現(xiàn)約30°的光束偏轉，但從發(fā)射效率和泵涌功率之比可得效率較低（3%）。針對LED光發(fā)射效率低的問題，Iyer［63］等提出了InGaN/GaN量子阱結構的超構表面，可在任意角度產生窄的單向傳輸和發(fā)射波瓣。如圖2（h）所示，所制備的超構表面由嵌入在襯底上的GaN柱和100 nm GaN覆蓋層的InGaN/GaN MQW發(fā)光相柱組成。該量子阱通過405 nm的LED光泵浦激發(fā)，當發(fā)射光通過GaN柱向基板時產生相位延遲。氮化鎵柱被設計成具有平面內的相位梯度，從而誘導動量改變了某些通道中遠場輻射光的局部密度。這種對耦合通道的選擇性修改會導致非對稱和單向發(fā)射，并增強光致發(fā)光對所選通道的影響。通過實驗測量，總量子效率和空氣耦合外部量子效率分別提高了7倍和100倍。

2.1.2.3 MEMS集成的超構表面

超構表面與MEMS集成實現(xiàn)光束掃描與傳統(tǒng)激光雷達的掃描方法類似，超構表面作為反射調制器件，通過MEMS驅動超構表面的基板移動或者MEMS驅動超構表面產生形變來實現(xiàn)光束掃描功能?；诘谝环N機制，Arbabi等［64］提出了一種MEMS集成的可調諧超構透鏡，通過驅動超構表面基板進行小移動，來實現(xiàn)光焦度的大范圍調諧，即焦距的調節(jié)，如圖3（a）所示。實驗表明，915 nm聚焦二極管激光器的焦點位置可以偏移約60μm，調制速度為2～4 kHz。該設備的陣列可以在同一芯片上制造，實現(xiàn)多個不同焦距的鏡頭掃描不同深度。但是，這種方法需要較高的偏置電壓（高達80 V），僅能實現(xiàn)μm級別的移動?；诘诙N機制，即通過驅動超構表面形變實現(xiàn)光束掃描，Holsteen等［65］設計了一種懸浮硅（Si）超構表面，通過添加一個電壓控制的驅動元件，實現(xiàn)了時間顏色控制、動態(tài)光束控制和可見光范圍的光聚焦等多項功能，調制速度為1 MHz，偏置電壓為2～3 V。該超構表面器件使用高指數(shù)Si納米結構，具有強大的Mie光學共振，可提供對光散射的有效局部控制。使用絕緣體上硅（SOI）技術將不同的基于Mie諧振器的超構表面懸浮在硅襯底上方，對各種光學功能進行機械調諧。Mie共振可以通過MEMS控制，調制發(fā)生在襯底和Si超構表面之間的法布里-珀羅共振模式，進而改變超構表面陣列尺寸來實現(xiàn)光束控制。如圖3（b）所示，懸浮Si超構表面在600 nm波長處覆蓋了12°的掃描角度（視場角24°），其偏置電壓為1.2 V。

圖3 基于MEMS集成、相變材料或液晶的超構表面實現(xiàn)光束掃描Fig.3 Metasurfaces based on MEMS integration，phase change materials or liquid crystal for beam scanning

研究人員開發(fā)了眾多的方案來實現(xiàn)特定場景下的光束控制和掃描。偏心微透鏡陣列（DMLA）［66］是一種MEMS光束掃描方案，它作為機械和全固態(tài)方法的過渡技術，繼承了固態(tài)方法的緊湊性和快速特性以及笨重的機械方法的高分辨率和功率容差，但是受限于傳統(tǒng)微透鏡的性能。超構表面的亞波長調制性能可以高效地實現(xiàn)極小F數(shù)的透鏡，打破傳統(tǒng)透鏡光學元件的瓶頸，同時超構表面超輕超薄的特性減小了MEMS驅動所負載的慣性，將超構表面透鏡替代傳統(tǒng)微透鏡作為光束掃描方案中可以實現(xiàn)高效率、高精度、大視場和高速的光束掃描。最近，Chen等［67］將一組共焦的單層超構表面微透鏡陣列和雙層超構表面微透鏡陣列組合，開發(fā)了基于超構表面透鏡陣列的半固體微機械光束掃描系統(tǒng)（Micromechanical beam steering system based on Micrometa-Lens Arrays，MMLA）。入射光束通過第一組微透鏡陣列聚焦后由雙層超構表面微透鏡陣列準直出射，通過控制兩組微透鏡陣列之間的微位移可以實現(xiàn)出射光束的大角度控制，如圖3（c）所示。MMLA具有極小的F數(shù)，在微小位移下對出射角度具有極大的控制能力，在較大視場下?lián)碛辛己玫南癫钚Ｕ芰统龉饪趶奖壤?，以及接近衍射極限的角度分辨能力，有利于遠距離和深空探測的應用。實驗在70μm的最大離軸位移量下得到30°×30°的視場角和0.14°的角分辨率，器件體積小于0.5 mm3。將MMLA應用在激光雷達中進行模擬街景的三維深度掃描，可以清楚地識別物體的輪廓和結構，驗證了該系統(tǒng)的3D深度掃描能力。

2.1.2.4 相變材料或液晶超構表面

相變材料也是一種制備有源可調諧超構表面的材料，它在外部熱、光和電的刺激下，在非晶態(tài)和晶態(tài)之間快速和重復切換，具有紅外區(qū)高折射率對比度和非揮發(fā)性特性。Yin等［68］提出了一種相變材料高度集成的等離子體有源超構表面，實現(xiàn)了不依賴于機械變形的光束轉向和變焦。如圖3（d）所示，該超構表面由50 nm厚的相變材料有源層（Ge3Sb2Te6）、15 nm厚的防氧化層（ZnS：SiO2）和40 nm厚的Au天線超構表面組成。有源層在沉積時處于非晶態(tài)，在加熱到160°時切換到結晶態(tài)。配置兩組不同類型的等離子納米天線A和B，它們具有不同的等離子共振。在非晶態(tài)下，一組在3.1μm處共振，而另一組在2.28μm處共振；在結晶狀態(tài)下，共振分別移動到4.1μm和3.1μm。因此，每個天線都與非晶態(tài)和晶態(tài)相互作用，從而改變衍射光束的衍射角，實現(xiàn)了光束掃描功能。

SLM在激光雷達三維成像中具有廣泛的應用，能夠在不改變強度的情況下重新配置每個像素透射或反射光的相位延遲，一般使用液晶（Liquid Crystal，LC）來實現(xiàn)。LC分子在外加電壓下能夠沿給定方向動態(tài)控制折射率?；贚C的SLM的大像素尺寸提高了投影圖像的分辨率和FOV。在保持LC層所需厚度的同時進一步縮小像素尺寸存在相互串擾的問題，嚴重限制了其潛在的應用。Li等［69］將TiO2超構表面與LC集成，實現(xiàn)了亞波長像素尺寸的小型化SLM。通過修改超構表面納米天線周圍的液晶方向來改變局部共振，以亞波長像素調制透射光波前。如圖3（e）所示，在液晶夾層中集成205 nm高度的超構表面結構，可在660～670 nm波長內，根據(jù)液晶分子取向（0°，45°和90°）實現(xiàn)三級相位延遲。超構表面由3個納米盤單元排列組成，提高了衍射效率，模擬預測在665 nm處的一級衍射效率為48%。如圖3（e）所示，該三能級SLM，通過施加0，3.5和8 V的偏置電壓實現(xiàn)一階偏轉，角度約為11°（FOV為22°）。與傳統(tǒng)的SLM相比，該超構表面集成的SLM的像素尺寸減小三分之一，液晶厚度減小一半以上。

不同調控方式實現(xiàn)的動態(tài)可調諧超構表面光束掃描方案，具有不同的優(yōu)勢和特性。TCO適用于近紅外和中紅外波段，調制速度可達幾十MHz，具有高載流子密度，可以在大調諧范圍顯著地改變折射率。MQW適用于可見光和近紅外光波段，具有更高的調制速度（kMHz），可直接在晶圓上生長，并與LED、邊緣發(fā)生器和VCSEL等激光光源集成，實現(xiàn)設備的小型化。相變材料，例如GST通過改變溫度可以在非晶相和結晶相之間快速切換（ns級），在紅外波段具有高折射率對比度和非揮發(fā)特性，但是其加工制備難度大。液晶的分子取向受外部電場控制，施加電壓可以在太赫茲到可見光的寬波段內工作，但是調制速度只有kHz，切換時間為ms級。MEMS系統(tǒng)通過形變實現(xiàn)連續(xù)的光束掃描，信息采集更加完整，但是視場角有限，且其機械結構存在一定的慣性。因此，要根據(jù)不同的光束掃描場景選擇適用的有源超構表面方案，能夠更好地輔助主動式三維成像技術。

2.1.3 3D斷層掃描

3D斷層掃描是一種三維顯微技術，使用掃描儀對樣本多個橫截面進行拍攝，然后重建出3D圖像。傳統(tǒng)3D斷層掃描需要用到復雜的機械轉向部件，增加了顯微系統(tǒng)的復雜度。超構表面可以幫助顯微鏡在沒有復雜機械部件的情況下實現(xiàn)3D斷層掃描解析活細胞。Li等［70］通過幾何相位設計了大色散的超構透鏡來簡化斷層掃描技術。超構透鏡由GaN納米柱按同心環(huán)圖案化陣列排布組成，其特性與波長相關，在可見光下聚焦在目標的不同區(qū)域，可實現(xiàn)非運動方式的3D斷層掃描，如圖4（a）所示。該高數(shù)值孔徑超構透鏡在可見光波段可以獲得高成像分辨率，并且大色散的設計使它在一定成像距離時具有高縱向分辨率，對一組沿光軸排列的旋轉孔玻片進行成像，可以在獲得的圖像中區(qū)分不同的旋轉孔，驗證了斷層掃描的功能。對青蛙卵細胞進行顯微3D斷層掃描，顯示了散焦-聚焦-散焦過程的清晰演變和高分辨率，因此可以區(qū)分細胞膜和細胞核的深度。

圖4 超構表面用于3D斷層掃描Fig.4 Metasurfaces for 3D tomography

傳統(tǒng)的三維生物顯微中，獲取深度信息通常需要在軸向維度上進行額外的掃描，犧牲部分的空間分辨率以保證時間分辨率，因此動態(tài)生物的快速高分辨三維成像仍有待完善。Edrei等［71］提出了一種光譜門控顯微鏡（Spetrally Gated Microscopy，SGM）。SGM通過共振失配來抑制離焦光，實現(xiàn)光譜抑制。如圖4（b）所示，SGM利用超構透鏡的強色散進行波長多路復用，可以在單次拍攝下對不同深度平面同時進行采集，從光譜的變化信息中獲取深度信息。該系統(tǒng)有效利用了光譜域的信息維度，有助于實現(xiàn)快速高分辨3D成像。實驗對硬幣進行3D成像，選擇硬幣的一部分區(qū)域，記錄該區(qū)域內兩個點的光譜，通過光譜與深度的轉換關系獲得硬幣的深度信息，但是成像的深度范圍較小，僅為微米級別。在相對較大的深度范圍內保持高分辨率的光學成像一直是動態(tài)生物顯微成像所追求的目標。傳統(tǒng)的共焦［72］和雙光子顯微鏡［73］等顯微成像方式僅能夠對焦點周圍的狹窄區(qū)域實現(xiàn)高分辨率成像，且需要額外的掃描部件相對于目標進行軸向平移實現(xiàn)深度分辨成像，成像深度僅為幾百微米。光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）［74］利用相干門控的原理捕獲散射組織的實時深度分辨圖像，但由于衍射的問題只能實現(xiàn)毫米深度的三維成像，因此橫向分辨率和聚焦深度之間相互制約。最近，Pahlevaninezhad等［75］提出了一種雙射光收集成像（BICI）的概念，能實現(xiàn)三個維度的高分辨率斷層掃描。利用超構表面的調制能力，在成像光路中布置了照明和收集兩條路徑，沿焦線定義的照明光和收集光在空間中一一對應，如圖4（c）所示。應用BICI克服了高分辨率OCT的局限性，在1.25 mm深度范圍內具有約3.2μm的橫向分辨率，能夠在大深度范圍內實現(xiàn)高分辨率成像。

2.2 被動式三維成像

被動式三維成像技術通過透鏡會聚光線到圖像傳感器進行成像，再對圖像傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理獲取三維信息。與主動式三維成像技術相比，被動式三維成像不需要復雜的投射器和接收器等設備輔助，可以極大地減小系統(tǒng)的復雜度和功耗。被動式三維成像根據(jù)成像時使用的透鏡數(shù)量和原理可以分為透鏡陣列型和單透鏡型。

2.2.1 透鏡陣列型三維成像

透鏡陣列型三維成像是使用多個透鏡拍攝具有不同視差信息的多幅圖像，再通過圖像之間的匹配關系計算出場景的深度信息。光場成像是一種典型的透鏡陣列三維成像技術，能同時捕獲光線的強度和方向信息。傳統(tǒng)的光場成像使用微透鏡陣列作為光調制器，存在加工困難和固有性能缺陷的問題，限制了其應用和發(fā)展。超構表面可以實現(xiàn)透鏡會聚功能，稱為超構透鏡。相比傳統(tǒng)微透鏡，超構透鏡無需級聯(lián)透鏡即可實現(xiàn)色差校正，使成像設備進一步小型化。目前，可見光波段的寬帶消色差超構透鏡的幅面尺寸較小［76］，因此有人提出使用空間孔徑復用的超透鏡陣列進行光場成像，有望實現(xiàn)大孔徑高分辨成像，為緊湊型光場三維成像設備的實現(xiàn)提供了新途徑。

2019年，Lin等［77］通過合理調節(jié)納米柱和納米孔的結構參數(shù)進行相位設計，實現(xiàn)了補償縱向色差的可見光寬帶消色差超構透鏡。通過空間孔徑復用制造60×60的超構透鏡陣列，用于可見光全彩成像的光場相機，可在傳感器上生成全彩色的元素陣列圖像，再通過計算機圖像渲染，拼接出具體不同焦深的多幅圖像，最后使用算法估計出深度信息。整個過程計算量較小，能夠進行動態(tài)實時深度感知，如圖5（a）所示。雖然光場成像可以使超構透鏡實現(xiàn)更高分辨率的成像，但是空間分辨率和角度分辨率相互制約，而圖像傳感器的總像素數(shù)量有限，所以光場成像的最終圖像分辨率仍然較低。2020年，Park等［78］提出了一種基于偏振復用介電超構表面的虛擬移動超構透鏡陣列（VMMA），它在不進行物理移動的情況下，通過簡單地調整入射光束的偏振態(tài)來實現(xiàn)采樣位置的橫向移動，如圖5（b）所示。通過設計超構透鏡的相位分布實現(xiàn)偏振復用，使得每個超構透鏡單元在不同偏振光入射時焦點產生移位。成像時采樣間隔減半，在不犧牲角分辨率的情況下，采樣分辨率增加了2倍，再通過算法擬合圖像，光場圖像信息量通過時分復用移位方案增加了4倍，最終圖像分辨率增加4倍，并且深度信息不會退化。光場成像常用于三維顯微成像中，使許多生物和臨床應用成為可能。單粒子跟蹤（Single Particle Tracking，SPT）［79］是研究生物動態(tài)過程的顯微成像技術，它使用基于微透鏡陣列的光場成像可以實現(xiàn)三維SPT［6］，但是受到光傳播時衍射效應的限制，在橫向分辨率和焦深之間存在衍射強加的折中關系，難以在相對較大深度范圍內進行高分辨率光學成像。2019年，Brongesma等［80］提出了一種實現(xiàn)三維單粒子跟蹤的光場超構表面，通過相位復用設計了具有相同軸向焦距的三焦點超構透鏡，單次拍攝下生成3幅單個珠子的不同圖像，如圖5（c）所示。該光場超構表面可以適配未經修改的顯微鏡，以更高的空間分辨率收集3D信息，克服了基于光場的方法在空間分辨率方面的損失，唯一的代價就是犧牲了FOV。三維顯微成像的目標非常小，因此減少FOV并不是關鍵問題。在0.5 mm×0.5 mm×0.3 mm體積內進行多個熒光粒子的同時跟蹤，該方法具有亞微米水平和微米水平軸向分辨率。

圖5 基于超構表面透鏡陣列的三維成像Fig.5 Three-dimensional imaging based on metasurfaces-lens array

超構透鏡陣列在其他三維成像中也有所應用，Liu等［81］使用基于幾何相位的結構單元設計了3個六邊形的TiO2超構透鏡形成陣列，實現(xiàn)了緊湊型像差校正的三維定位設備。3個超構透鏡分別成3個圖像，使用互相關的梯度下降算法對它們進行單色像差校正以提高成像質量，再分析匹配3個圖像的平移關系獲取深度信息，如圖5（d）所示?？偝叽鐬?79.5μm的超構透鏡陣列能實現(xiàn)水平和垂直定位，且具有較高的相對定位精度（0.60%～1.31%），如圖5（c）所示。當使用更大數(shù)值孔徑（NA）的超構透鏡時，可以進一步提高定位精度，在小型化定位系統(tǒng)和高精度緊湊型視覺傳感器中具有應用潛力。透明樣品的定量相位成像（Quantitative Phase Imaging，QPI）［82］在多種生物醫(yī)學應用中發(fā)揮著至關重要的作用，如即時護理和體內應用等。QPI系統(tǒng)通常需要設置干涉來檢索相位信息，光學系統(tǒng)復雜而龐大，使得微型QPI顯微鏡直到現(xiàn)在仍然不可實現(xiàn)。Kwon等［83］提出了一種具有3個優(yōu)化超構透鏡的雙平面光學系統(tǒng)（QPGM）用于相位顯微成像。該系統(tǒng)充分利用了超構表面的偏振和空間復用功能，垂直級聯(lián)了兩個超構表面層，可同時捕獲3種不同的干涉圖樣，再通過反演得到3張相位，使用三步移相算法的相位檢索方法［84］，通過差分干涉對比提取定量的相位梯度信息，進而提取樣品的亞微米尺度軸向分辨率的高度信息，如圖5（e）所示。

2.2.2 單透鏡型三維成像

在基于透鏡陣列的三維成像中，通常需要將透鏡按照基線間距進行排布，以滿足深度測量的精度，這無疑增大了系統(tǒng)的體積。透鏡陣列三維成像獲取多幅圖像后通過算法處理得到深度信息，處理的數(shù)據(jù)量較大，時效性較差。在系統(tǒng)體積和數(shù)據(jù)量方面，單透鏡型三維成像系統(tǒng)顯得更具優(yōu)勢。單透鏡三維成像技術主要是通過離焦的方式，根據(jù)PSF隨物方深度的變化來獲取深度信息。傳統(tǒng)離焦法通過鏡頭的物理移動獲取焦深圖像序列，需要機械裝置輔助且測量精度有限。DOEs可進行相位掩膜定制，在透鏡相位之外增加額外的相位，使得PSF具有深度識別的特性。例如雙螺旋點擴散函數(shù)（DH-PSF），設計相位掩膜使得成像時隨深度變化而產生旋轉的PSF，通過分析圖像的功率倒譜，可計算物體的深度和強度信息。但是，目前的DH-PSF存在效率低、體積龐大且難以集成的缺點。

超構表面靈活的相位設計結合計算成像等圖像處理方法進行輔助，可以實現(xiàn)更加快速和高精度的單透鏡離焦法三維成像。Guo等［85］通過空間孔徑共享在單個超構透鏡上設計了2種不同焦距的透鏡相位分布，可在橫向和縱向分離的不同空間位置形成兩幅具有不同散焦屬性和透視關系的圖像，再通過簡單的算法對齊圖像，提取目標的二維深度圖。如圖6（a）所示，直徑為3 mm的超構透鏡可測量10 cm距離內的深度，每個輸出像素使用少于700個浮點運算，并且僅涉及25×25個像素空間領域，因此計算數(shù)據(jù)量較小，可實現(xiàn)實時深度計算。如圖6（a）所示，在不同真實場景下進行深度測量實驗，超構透鏡可以對蠟燭火焰等動態(tài)透明物體進行深度測量，證明了其深度測量的優(yōu)異性能。超構透鏡在成像時色散嚴重，這種色散會影響成像質量，許多研究都是盡力消除色散，但是色散也可以作為額外自由度輔助計算三維成像。Tan等［86］利用超構透鏡對不同波長的光線具有不同光焦度的特性，提出了緊湊、單次和被動的3D成像相機。超構透鏡將不同波段的RGB三色光聚焦在不同深度的散焦圖像上，再通過兩個卷積神經網絡U-Net進行圖像重建，恢復出深度圖和RGB紋理信息，如圖6（b）所示。在可見光譜下，對直徑為1 mm的超透鏡進行數(shù)值模擬，結果表明它能夠捕獲0.12～0.6 m的3D深度信息和紋理信息。

圖6 超構表面用于基于離焦深度的三維成像Fig.6 Metasurfaces for three-dimensional imaging based on defocus from depth

超構表面獨特的相位設計功能，可突破傳統(tǒng)DH-PSF的瓶頸，實現(xiàn)緊湊型DH-PSF離焦深度成像系統(tǒng)。Jin等［87］根據(jù)幾何相位原理設計了透鏡會聚相位掩模與DH-PSF相位掩模相互組合的等離子體超構表面，極大縮小了DH-PSF元件的體積。如圖6（c）所示，軸上單物點和軸外雙物點的成像和深度在120°的大范圍內近似保持線性關系，有效深度約為20 cm，深度測量的分辨率為6（°）/cm，其傳輸效率為70.3%，能夠在可見光波段和多個入射偏振態(tài)下工作。但是金屬存在的歐姆損耗限制了透射效率，于是Jin等［88］設計了基于全電介質的DH-PSF集成惠更斯超構透鏡。利用共振惠更斯圓柱形的硅（Si）納米柱陣列對超構透鏡以及DH-PSF進行物理相位編碼。在近紅外波段實現(xiàn)了高透射率，通過DHPSF的旋轉角度可以推斷出距離信息，如圖6（d）所示。但是DH-PSF只適用于近軸衍射波，所以導致其存在軸向分辨率低，數(shù)值孔徑低和視場角小等問題。為了提高DH-PSF獲取的二維強度圖和深度圖的分辨率，Colburn等［89］將三次方相位掩模和DH-PSF相位掩模并列排放于單個超構表面，能在可見光波段對場景中的深度信息被動編碼成兩個互補PSF，通過同時產生聚焦加速光束和聚焦旋轉光束來擴展景深并提高精度，最后對捕獲的數(shù)據(jù)進行反卷積解碼，重建出二維強度圖和深度圖，計算視場上Gouy相位的變化來估計超構表面的場曲，測距誤差僅為1.7%，如圖6（e）所示。

3 超構表面在三維顯示領域的應用

隨著人們生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)二維顯示設備已經無法滿足人們的觀看需求，三維顯示是未來顯示設備的發(fā)展趨勢。三維顯示設備主要有裸眼3D顯示屏和近眼3D顯示器，它們追求的性能目標是大視場、連續(xù)視差、輕薄化和小型化等，現(xiàn)有的三維顯示設備還無法同時具備這些性能［90］。超構表面具有良好的光束波前操縱能力和多功能輕薄集成的優(yōu)點，能作為三維顯示設備的關鍵光學器件，例如多焦點［91］以及功能集成［92］的超構表面等，為開發(fā)性能更優(yōu)的新型緊湊型三維顯示設備提供了新途徑。

3.1 三維全息顯示

傳統(tǒng)的光學全息術需要復雜的拍攝過程來記錄目標物體的光束干涉圖案和參考路徑，難以實現(xiàn)虛擬物體的全息重建［93］。1966年，Brown和Lohman發(fā)明了計算機生成全息（Computer Generated Holography，CGH），使用物理光學理論來生成干涉圖案［94］。CGH需要復雜的光場調制能力，可以使用SLM等數(shù)字光場調制器進行全息顯示［95］，但是像素尺寸大，調制原理存在固有缺陷。超構表面擁有強大的光場調制能力，可以用于生成全息圖，即通過物理和數(shù)字理論計算，并根據(jù)設計的相位分布排列超構表面的結構單元，組成目標CGH圖案。與傳統(tǒng)的CGH調制設備相比，超構表面設計全息圖具有自由度大、空間分辨率高、噪聲低、空間帶寬積寬，以及消除多級衍射等優(yōu)點［96］。Huang等［97］于2013年使用基于幾何相位的等離子體超構表面首次實現(xiàn)軸上3D超全息圖，消除了傳統(tǒng)全息術多級衍射的影響，具有寬視場和高分辨率的優(yōu)勢。首先，通過數(shù)字合成和數(shù)字計算生成3D CGH，然后再根據(jù)超構表面幾何相位的原理，將3D CGH的相位信息編碼到超構表面結構單元陣列中，最后通過傳統(tǒng)的光傳輸方案重建圖像。如圖7（a）所示，在810 nm波長的圓偏振光照射下，設計制備的噴氣機3D CGH超構表面在軸上重建了噴氣機的3D全息圖像。調整物平面遠離超構表面，可以得到一系列2D圖像，可以清晰地看到焦點隨著距離的移動而變化，證明了3D全息圖像具有深度信息，但是只限于軸上的深度信息。Li等［98］使用石墨烯氧化物制備超構表面創(chuàng)建了寬視角3D全息圖。石墨烯基材料是一種芳香碳原子層，具有出色的電子和光學特性。采用單飛秒脈沖光束對石墨烯氧化物進行非熱還原，可以調制多級折射率，然后根據(jù)3D寬視角圖像的全息相關性編寫相位調制。如圖7（b）所示，將高數(shù)值孔徑（NA）物鏡和超構表面結合，使每個焦點的尺寸減小到重建光束的亞波長尺度，從而增加視角。當像素尺寸減小到0.55μm時，視角增加到52°。

根據(jù)RGB波長多路復用可組合成彩色3D圖像，但是在實現(xiàn)全彩全息時，工作帶寬的增大會產生嚴重的串擾，影響全息圖像質量。因此，如何在寬波段下減少不同顏色之間的串擾成為實現(xiàn)彩色3D全息的關鍵。Xiong等［99］提出了一種克服串擾的新方法，設計了單一類型等離子體超構表面，將離軸照明方法應用到超構表面全息術中，不同波長的激光束斜射在由納米狹縫天線形成的超構表面上，然后將設計角度的輸出光束疊加以形成最終的多色圖像，并且克服了不同顏色之間的基本串擾。如圖7（c）所示，通過實驗展示了在立體空間中重建全彩色超全息圖像，3D對象由RGB點源集合表示，然后將全息圖平面上的復振幅計算為由所有點源組成的整個3D物體的光場疊加，設計了一個由20個不同顏色光點組成的3D彩色螺旋圖案。在z軸的不同位置使用CCD相機捕獲全息圖案，可以獲得顏色不同的星圖，驗證了3D圖像的深度信息。這些使用超構表面生成3D全息的研究大多數(shù)是通過多幅2D全息圖像拼接成3D全息圖像，其圖像的角度是固定的，無法在多個視角下觀察到3D圖像，使得其在三維顯示領域的應用受到限制。Choi等［100］于2020年提出了一種能提供雙目深度線索的超構表面立體全息技術。如圖7（d）所示（彩圖見期刊電子版），超構表面由幾個全息圖塊（綠色和藍色框）組成，根據(jù)不同的觀察方向（綠色和藍色箭頭）顯示目標3D對象相應的2D全息投影。渲染了一個由3條桿組成的3D結構，體積為25 μm×25μm×25μm，這3條桿位于不同的深度：上桿、中桿和下桿分別位于z軸上相對于目標結構中心的-12.5，0和+12.5μm處。超構表面重建的3D全息圖由多張全息圖片段組成，沿平行于x軸的子午線的觀察角度生成目標3D結構的2D投影，從-30～+30°的觀察角度以10°的步長渲染出透視投影，實現(xiàn)了具有雙目深度線索的立體效果，如圖7（d）所示。

圖7 超構表面用于3D全息顯示Fig.7 Metasurfaces for 3D holographic display

隨著靜態(tài)全息技術的成熟，人們開始研究動態(tài)全息，實現(xiàn)動態(tài)的3D全息是全息顯示的最終目標。Hang等［101］提出了一種自旋切換全息3D全彩場景的介質超構表面，其超分子由3種不同的超原子組成，能夠獨立調制紅光、綠光和藍光。通過改進的G-S算法檢索3D全息圖的波前，設計超構表面的相位分布，實現(xiàn)改變照明圓偏振光的螺旋度來切換重建的全息3D全彩圖像，大大增加了設備的信息容量。如圖7（e）所示，使用633，532和473 nm波長重疊的激光束組成的右旋圓偏振光照射超構表面，會出現(xiàn)3D全彩鸚鵡。當右旋圓偏振光照明切換到左旋圓偏振光時，圖像會變成一朵帶蝴蝶的花朵。這兩個3D場景都被分成了3個切片，鸚鵡（花蝴蝶）的前翅（第一只蝴蝶）、身體（花）和后翅（第二只蝴蝶）分別在距離超構表面5，7和9 mm處生成。在可見光下實現(xiàn)高幀數(shù)的動態(tài)3D全息是實現(xiàn)三維顯示最理想的效果。2020年，Gao等［102］提出了一種基于空間通道多路復用的大幀數(shù)高幀率的可見光動態(tài)3D超構表面全息，可以實現(xiàn)228個不同的全息幀和可見光范圍內極高幀速率的動態(tài)全息顯示。如圖7（f）所示，一個環(huán)形的全息超構表面具有8個空間通道，每個空間通道在立體空間中重構一個3D箭頭，使用激光束依次照射每個空間通道，可以進行平滑的動態(tài)3D全息顯示。

3.2 光場顯示

光場顯示使用折射透鏡組成的光場調制器件，將編碼的光場信息投射到空間中的不同方向，形成具有連續(xù)視差的真實光場3D場景，被認為是目前最具前景的裸眼3D顯示技術之一［103］。然而，傳統(tǒng)折射微透鏡的像差嚴重影響了重建3D場景的觀看質量，而具有容許像差的小焦距微透鏡需要級聯(lián)多個光學元件，制造的難度、復雜度，質量和體積都會增大。超構表面作為新型的平面光學元件，能以亞波長空間分辨率進行波前調制，并具有良好的像差校正能力，有望彌補傳統(tǒng)光場顯示的不足。Zhang等［104］設計了一種兩層相鄰的電介質超構透鏡陣列用于光場顯示。兩層超構透鏡具有不同的相位分布，分別對不同偏振旋向的入射光進行調制，提供了更大的優(yōu)化自由度，在離軸入射時具有更好的成像性能。但是仍然需要權衡空間分辨率與角度分辨率之間的關系。Zhang等［105］結合幾何相位和傳播相位設計了偏振復用的雙功能超透鏡陣列并用于近眼光場顯示器。如圖8（a）所示，焦距和間距可以根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)進行切換，進而調整觀察分辨率和出瞳直徑，提高了靈活性。這些超構透鏡陣列光場顯示只能在單一波長下實現(xiàn)，不滿足人眼的全彩顯示需求。Fan等［106］設計了一種寬帶消色差氮化硅（SiN）超透鏡陣列，在白光下用于光場顯示中重建全彩的3D場景。如圖8（b）所示，“3”和“D”的3D場景用算法編碼，然后在光場顯示的過程中重建具有深度信息的圖像，并隨著聚焦位置的變化而逐漸清晰和模糊。超構透鏡陣列包含60×60個偏振不敏感的超構透鏡，每個超構透鏡中的納米單元都經過精心設計，有效消色差折射率分布在430～780 nm，具有近衍射聚焦的分辨率。此外，該消色差超構透鏡陣列僅由單層超薄厚度為400 nm的氮化硅層組成，適合片上混合CMOS集成和光電子信息的并行處理。

圖8 超構表面用于光場顯示Fig.8 Metasurfaces for light field display

裸眼3D顯示器是最符合人眼觀看習慣的理想顯示設備，但是其研制目前還存在許多技術難題。全息3D顯示所需的信息量太大，使用現(xiàn)代電子設備難以實現(xiàn)有效傳輸，導致全息3D顯示器的刷新速率和FOV有限。光場3D顯示作為全息3D的采樣形式，可以極大減小數(shù)據(jù)量，是目前實現(xiàn)3D顯示器的最佳選擇。Qiao等［107］提出了一種裸眼全息采樣3D顯示，采用超構表面光柵調制每個像素點的相位信息形成聚合視點，改善了串擾和邊界調節(jié)沖突帶來的視覺不適。當視點緊密排列時，全息采樣3D顯示可以近似為一個連續(xù)的光場，即光場3D顯示，使用二維光柵和納米壓印手段制備了大規(guī)模超構表面光柵視場調制器，并與平板顯示器兼容構建了3D顯示屏，在LED白光照明下實現(xiàn)高刷新率且無視覺疲勞的動態(tài)全彩3D顯示，如圖8（c）所示。但是現(xiàn)有的顯示面板的分辨率有限，光場3D顯示的空間分辨率、角度分辨率和視角之間會相互制約。例如，要實現(xiàn)具有1K空間分辨率和3°垂直和水平方向角度分辨率的3D顯示，需要具有50K分辨率的顯示面板來實現(xiàn)150°的視角，現(xiàn)有的顯示面板難以滿足分辨率要求。Qiao等［108］提出并制備了一種具有空間變異分辨率的光場3D顯示屏，它由具有不同形狀的超構表面光柵混合排布而成。根據(jù)觀察頻率投射空間變化的信息，即密集封裝的視圖排列在中心，而稀疏排列的視圖分布在外圍，在中心視角區(qū)域能夠呈現(xiàn)平滑過渡運動視差的高分辨率圖像效果，而在外圍視角則采樣分辨率低，但是增大了視角，如圖8（d）所示。這種方法抑制了冗余的深度信息并將FOV擴大到與2D顯示面板相當?shù)姆秶?，通過演示具有視頻速率的全彩色3D顯示器，水平視角達到了160°。

3.3 近眼顯示

AR及VR近眼顯示設備作為下一代交互式顯示設備，面臨著視野（FOV）、眼眶、角度分辨率、動態(tài)范圍和正確的深度提示等性能上的挑戰(zhàn)。為了提供友好的佩戴體驗，AR和VR追求輕量級的緊湊型外形。然而，上述要求往往需要相互權衡，這使得高性能AR/VR眼鏡的設計特別具有挑戰(zhàn)性。

超構表面具有任意波前整形能力以及超輕超薄的優(yōu)點，能用于實現(xiàn)性能更加完善且輕薄的近眼顯示設備，因此成為AR/VR領域的研究熱點。2018年，Lee等［109］開發(fā)了一款使用超構表面目鏡的AR近眼顯示系統(tǒng)，具有超寬FOV、全彩成像、高分辨率和大眼眶的優(yōu)勢。該超構表面基于幾何相位和介電材料進行設計，實現(xiàn)了虛擬圖像投影和透明度控制。如圖9（a）所示，系統(tǒng)由超構表面目鏡、光束投影儀、4f中繼系統(tǒng)、分束器、二向色鏡和圓偏振器組成，通過實驗演示了3D全息AR顯示，將圖像浮動顯示在空間中，圖像隨著焦點的變化變得清晰和模糊。隨著元宇宙概念的提出，對VR顯示設備提出了更高的性能要求。為了解決超構表面的色差問題，Capasso團隊［110］利用來自多個區(qū)域的光進行相長干涉和色散工程來實現(xiàn)原色的衍射限制，設計了消色差聚焦的超構透鏡，并將它應用于VR系統(tǒng)，實現(xiàn)了緊湊型的光纖掃描近眼顯示器。VR效果展示如圖9（b）所示，通過向聲光調制器施加多級電壓來創(chuàng)建3D效果的灰度圖像。該超構透鏡也可用于AR顯示，通過光學組合器混合虛擬對象和現(xiàn)實場景，設計多焦點的RGB消色差超構透鏡來生成深度線索，使得成像效果更加真實立體。AR和VR的近眼顯示器存在輻輳調節(jié)沖突，嚴重影響觀看的舒適度，因此Song等［111］針對這些問題，開發(fā)了大出瞳的緊湊型全息3D顯示器。該顯示器具有10 mm×8.66 mm的大出射光瞳，能夠渲染具有約50K活動數(shù)據(jù)點和0.5～2 m連續(xù)深度的3D場景，并以AR方式與現(xiàn)實世界重疊，同時提供視差和調節(jié)線索，解決當前3D顯示器存在的會聚-調節(jié)沖突，如圖9（c）所示。

圖9 超構表面用于近眼顯示Fig.9 Metasurfaces for near-eye display

4 總結與展望

本文重點介紹了超構表面在三維成像與顯示技術領域的應用進展。當前三維成像與顯示技術受到傳統(tǒng)光學元件的限制，存在體積龐大和不同性能之間相互制約等問題。超構表面作為新型的平面光學調制器件，具有靈活的光場調控能力以及多功能、輕薄和易集成的優(yōu)勢，在三維成像與顯示領域具有廣闊的應用前景。在主動式三維成像中，超構表面作為點云投射器件，有利于產生大視角、高效率和強度均勻的點云陣列；作為光束掃描器件，可以實現(xiàn)動態(tài)的大范圍掃描，無需輔助的機械部件；作為顯微系統(tǒng)的斷層掃描器件，有利于對動態(tài)生物標本進行快速實時成像。在被動式三維成像中，超構表面的色差校正以及近衍射極限聚焦功能可以實現(xiàn)高質量的緊湊型光場成像和離焦成像設備。在三維顯示領域，超構表面作為關鍵光學器件，在高性能和輕薄型三維顯示設備中發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢。

雖然超構表面在三維成像與顯示領域的研究取得了豐厚的成果，但是仍然面臨許多挑戰(zhàn)。在點云投射方面，超構表面將入射激光束衍射成點云陣列，仍然存在零級衍射，衍射效率不夠高和點云數(shù)量不足的缺陷，目前僅能在較短的距離內進行有效的三維成像，因此需要提升超構表面的性能，實現(xiàn)更高質量的光束投射。大多數(shù)超構表面實現(xiàn)的光束掃描方案，只能實現(xiàn)一維點掃描，并且最大視場僅為商用的最低標準，且還未實現(xiàn)連續(xù)掃描。在被動式三維成像和三維顯示領域中，大多數(shù)成像設備用于可見光波段，因此超構透鏡的全彩成像是其中的關鍵，但是目前的全彩消色差超構透鏡的數(shù)值孔徑、效率和帶寬等性能會相互制約。超構表面實現(xiàn)的三維全息顯示還只是具有深度信息的二維全息圖投影，并不是連續(xù)立體的三維全息。隨著超構表面設計復雜度的提高，不同功能通道之間的串擾問題以及效率問題仍然有待解決。因此，超構表面需要在性能提高和功能拓展等方面不斷改進和突破。

超構表面的未來發(fā)展方向包括人工智能賦能的超構表面逆向設計和可調諧的多功能集成超構表面。近年來，通過快速電磁仿真方法和學習框架的聯(lián)合優(yōu)化，超構表面的性能已有所改進，包括數(shù)值孔徑、工作帶寬和衍射效率等方面的改進［112-113］。然而，這些性能之間存在相互制約的關系，使得超構表面透鏡仍難以滿足商業(yè)化需求的高效率、寬視場和寬工作帶寬的消色差成像［114］。發(fā)展人工智能算法輔助超構表面的逆向設計，能夠實現(xiàn)具有更高自由度的任意納米單元結構設計，為超構表面的性能優(yōu)化和功能調控提供更大的設計空間，已經通過高級電磁優(yōu)化［112，114-119］和深度 學習［120-122］得到驗證。目前，研究人員開展了各種功能性超構表面光學系統(tǒng)的研究，例如偏振相機［123-124］、光譜儀［125］和光場相機［77，106］等，但 是 現(xiàn)有的超構表面功 能 單 一 和 固定，在光學系統(tǒng)中充當光學器件時需要較大的空間光路，沒有發(fā)揮超構表面集成化的優(yōu)勢，限制了光學系統(tǒng)的實時性和適用性。主動可調諧多功能集成的超構表面是拓展其應用場景的關鍵［126］，通過超構表面與活性介質和光源等其他元件的片上集成，有望實現(xiàn)批量生產的芯片級功能型三維成像與顯示系統(tǒng)。在未來，人工智能賦能的超構表面逆向設計和可調諧的多功能集成超構表面的研究為三維成像與顯示系統(tǒng)帶來了超越傳統(tǒng)方法的巨大機遇，并推動光學系統(tǒng)向著革命性的小型化和多目標功能方向發(fā)展。