什么是超透镜？

　　超透镜是一种二维平面透镜结构，由具有亚波长厚度的平面二维超材料制成，用于聚集光的光学元件。比较传统透镜，超透镜具有体积更薄、重量更轻、本钱更低、成像更好以及更易集成的优势。

　　它可以用于各种光学使用，包含成像、显现、传感、通讯等。超透镜可将多种复杂的光学功能集成在同一平面上，缩小透镜元件的尺寸，减少元件数量，下降拼装复杂性和总体本钱。

　　超透镜的商业化开展十分迅速。跟着超表面技能的成熟，越来越多的企业开始投身于超透镜的研制与生产中，这其间包含许多巨头公司和初创公司。这些公司不仅致力于超透镜的研制，还积极推进其商业化进程，期望为消费电子、汽车和工业使用带来性能、功率、尺寸和本钱优势。

　　一、超透镜的设计原理

　　设计超透镜时，采用一种或多种调控机制实现像差校正，以得到更优异的成像质量，并针对高数值孔径成像、大视场成像、高分辨成像、三维成像等需求，设计不同结构的超透镜系统。超透镜的设计，首先需要计算出符合需求的目标相位轮廓，根据相位延迟，垂直入射的平面波聚焦在衍射极限点位置，接着建立纳米结构与相位的数据库，再选择与目标相位轮廓匹配的纳米结构组成整体的超透镜模型。

　　其中，相位调控是超透镜设计中的关键步骤, 其原理包括共振相位 、传播相位、几何相位。

　　共振相位的调控原理是通过改变单元结构调控共振频率下的目标相位，通常包含金属天线的电偶极共振和MIM结构的磁偶极共振，以及介质纳米柱的米氏共振和F-P共振等;

　　传播相位的调控原理是利用光在传播过程中产生的光程差调控相位，通过波导光学理论和等效介质折射率理论设计;

　　几何相位，其调控原理是通过改变微纳结构在平面内的旋转角度, 实现对圆偏振光的相位调控，通过圆偏振态的转换实现正交偏振态的相位调制;

　　不同的相位调控方案

　　基于上述的调控原理，经过复杂的结构设计与应用场景设计，即可得到实用化的超透镜成像系统。

　　二、超透镜的成像系统

　　1、实时偏振成像系统

　　超透镜拥有自由调控出射光场偏振态的能力，因此可以作为偏振成像系统的核心器件。偏振成像主要依赖不同偏振光的聚焦，从不同偏振态中提取入射光场的偏振信息，以此重建光场的偏振图像。

　　2、连续变焦成像系统

　　连续变焦成像是这两年手机成像功能中的一个亮点，华为和小米等机型都开发了液态镜头，用于变焦成像的切换，但是液态镜头需要改变镜头的形貌，结构不稳定，性能较低。基于超透镜的连续变焦系统有希望可以用于手机等消费电子产品中，作为连续变焦镜头的核心组件。下面列出了近几年主要的一些连续变焦镜头的超透镜方案，包括摩尔相位超透镜、石墨烯超透镜、相变材料超透镜和液晶集成的超透镜系统。目前基于超透镜的连续变焦成像系统的成像性能与成熟的镜头相比还有一些不足，进一步的系统优化和材料体系更新有希望解决一些实际问题。

　　3、三维成像系统

　　三维成像系统是近几年非常火热的话题，人脸识别、车载距离探测等商用化应用对三维成像和深度成像需求巨大，同时在AR/VR等领域的交互同样需要高精度高集成度的三维成像系统。超透镜三维成像系统也是一个火热的话题，利用超透镜的多维参数调控优势和小型集成优势，这几年提出了不少成像体系。目前依旧有不少超透镜三维成像的方案提出，其优势在于给予被动成像方案，不需要额外的光源就可以实现深度三维信息的重建，相比TOF等方案可以使用更广泛的应用场景，而且高集成度可以嵌入多种消费电子产品中，具有广阔的应用潜力。

　　4、计算成像系统

　　计算成像在成像领域是一个一直被关注的话题，利用孔径编码、振幅编码、相位编码、散射介质等方案来调制光场，再利用计算算法来实现更多光场信息的提取。超透镜系统同样可以通过引入计算成像的方案，来构建全新的计算成像体系。计算成像作为补偿超透镜成像偏差的更优方案，可以让超透镜成像体系的优势进一步方放大，构建出更优性能的成像。

　　5、AR/VR显示系统

　　AR/VR成像显示作为这两年消费电子更有潜力的市场，同样也是超透镜发挥优势的领域。目前AR/VR设备的推广有一个巨大的限制，就是成像镜头太大，设备体积和重量减不下来，超透镜可以作为显示器件中的核心光学组件，应用于增强现实(AR)眼镜或全息显示器，将光学系统体积减少90%，甚至更多。目前已经提出了不少基于超透镜的显示方案，比如三原色显示全息、基于液晶调制的显示器件等。超透镜的商业化进展日新月异，其应用的场景也在不断的被挖掘。超透镜作为传统镜头的革新，是光操纵方式的真正范式转变，类似于从模拟计算到数字计算的转变。超透镜体系的巨大优势，必定会带来全新的领域变革。

　　延伸阅读：

　　超透镜的材料体系

　　从惠更斯原理的角度来看，超表面由亚波长的光学散射体阵列组成，通过调控散射体的特性来操控光束。这些散射体可以是金属或者介质纳米柱，也可以是金属或者介质薄膜中的亚波长孔径结构。随着超表面材料体系的发展，逐渐引入可调材料、二维材料、过渡金属氮化物材料等新兴体系。在这里我们主要讨论金属材料和介质材料两大类。

　　1.金属材料

　　早期的超材料结构大部分都是金属材料，金属具有很强的电磁场耦合共振和自由电子振荡特性，因此可以作为很好的结构设计体系。在超材料提出之前，就已经有成熟的SPP表面等离子体效应的原理研究，金属中的自由电子可以在金属和介质之间的界面与光耦合，产生SPP效应，可以增强几个数量级的电磁场强度。

　　对于金属亚波长结构，金属产生的自由电子振荡分布在纳米粒子的表面，称为LSP局部表面等离子体。此时会形成局部增强的电磁场，同时会引入局部相移。因此该结构体系可以作为界面光操控的一个很好的方法，早期提出的金属纳米天线构成的超表面基本都属于该体系，包括更早提出的V型金纳米天线、矩形纳米天线和Au金纳米孔等。

　　2.介质材料

　　金属材料在光波段存在固有的欧姆损耗，限制了超表面器件的整体效率。为了推广超表面器件的实际应用，介质材料体系逐渐被开发，并慢慢成为超表面的主流。介质超表面基于高折射率的介质纳米粒子的散射，介质纳米粒子的可以同时激发电偶极子共振和磁偶极子共振，因此在内部可以存在丰富的共振效应，包括米氏共振Mie、电磁诱导透明EIT、法诺共振Fano和连续域中束缚态BIC等。由于该体系的共振效应带来纳米粒子内部超高的品质因数Q值，因此被广泛用于非线性效应增强、单向散射、生物传感等领域。

　　除了共振调控之外，介质超表面还有一个应用广泛的结构体系，就是双折射元件，双折射元件超表面通过设计较高的深宽比，利用截断波导效应，实现传输相位的调控。当设计横截面的几何形状为各向异性的结构时，包括长宽不同的矩形和长短轴不同的椭圆等，此时的介质超表面在x、y两个方向的附加相位不同，因此可以利用琼斯矩阵等精确调制出射场的相位、偏振和振幅等性质。借助几何相位的特性，双折射超表面可以实现偏振解耦合的相位调控，这给超表面的光场调控维度带来了全新的自由度。目前常见的超透镜基本都基于该原理设计，该方案相位调控精准、透射率高，同时可以调控多个光场的参量，为复杂功能的超透镜提供了绝佳的平台。