中紅外成像器件，特別是工作于大氣窗口（3~5μm和8~12μm）的成像器件，在紅外成像與探測方面具有重要應用。傳統的中紅外成像器件笨重、昂貴、工藝復雜，阻礙了未來輕量化和集成化的發展。由亞波長尺度的微納米結構以周期或非周期的方式陣列而成的超構透鏡，具有輕薄、易集成、多功能化的特性，為未來微型化的需求提供了新的可能性。

據麥姆斯咨詢報道，近日，湖南大學胡躍強等研究人員在《光學精密工程》期刊上發表了以“中紅外波段超構透鏡研究進展”為題的文章。文中綜述了基于中紅外超構透鏡成像的研究進展及應用，首先介紹超構透鏡的4種基本相位調控方式，以及利用中紅外超構透鏡實現高聚焦效率、消除色差或單色像差的基本原理，最后，分析了基于中紅外超構透鏡的成像應用，包括偏振相關成像、可調及可重構成像等。

相位調控方式

表面等離子體共振相位

當電磁波入射到金屬與介質分界面，金屬表面自由電子的振動頻率與入射電磁波的頻率相匹配時會發生共振，金屬天線將光集中到比波長小得多的區域，并激發名為表面等離子體激元的電荷震蕩。通過設計金屬天線的尺寸、形狀和方向可實現不同的共振頻率，進而改變某個頻點的相位，產生相位突變。但是基于金屬微納米結構的超構透鏡會不可避免地引入歐姆損耗，難以實現高效率的光場調控。由低損耗的介質材料構成的超構透鏡可有效地解決這一問題，其調控電磁波的原理可分為三類：基于惠更斯原理的相位、傳播相位與幾何相位。

基于惠更斯原理的相位

惠更斯原理表現為：行進中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點發出的次波所形成的包絡面，就是原波面在一定時間內傳播得到的新波面。惠更斯超構透鏡便是基于惠更斯原理實現的電磁超構透鏡。惠更斯超構透鏡通過在結構單元內部激發電磁響應，形成等效電流與磁流，以此構建惠更斯波源，從而使波前在經過超構透鏡時受到調制。

傳播相位

傳播相位指的是電磁波在傳播的過程中會產生光程差，利用這一光程差可實現對相位的調控。基于傳播相位原理設計的超構透鏡，通常由各向同性的微納米結構構成，具有高度對稱的特點。因此，超構透鏡自然賦有偏振不敏感性，即微納米結構的相位響應與入射光的偏振類型無關，適用于大多數應用場景。

幾何相位

幾何相位又被稱為Pancharatnam-Berry（PB）貝里相位。不同于上述通過調整結構單元的幾何尺寸來實現相位調控的原理，幾何相位通過調整具有相同尺寸結構的面內旋轉角來實現全2π相位調控，該相位調控機理僅適用于圓偏振入射光。

超構透鏡成像的重要指標

聚焦效率

超構透鏡的聚焦效率一般定義為焦平面三倍半高全寬范圍內的光強除以入射的總光強。到目前為止，提高超構透鏡聚集效率的方法層出不窮，其中采用反射鏡、高對比度折射率材料、高透過率材料、全介質材料或改變微納米結構幾何形狀等多種機制已被證明是可行的，如圖1所示。

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圖1 中紅外高聚焦效率超構透鏡

消除色差

以超構透鏡為例的衍射光學元件色散表現為：波長越長，偏轉角越大，透鏡焦距越短。目前有兩種消除色差的方法，第一種通過將多個在特定波長工作的超構透鏡疊加而實現，與普通透鏡消除色差的方式類似，但這種方法只能在多個離散的波長下實現聚集。第二種方法則能在連續波段實現消色差聚焦，其基本原理主要涉及寬帶消色差理論。基于此，學者們展開了一系列中紅外消色差超構透鏡設計，如圖2所示。

圖2 中紅外消色差超構透鏡

消除單色軸外像差

在大視場成像中，軸外像差的消除顯得尤為重要，其中引起圖像幾何變形的畸變可通過后續的圖像處理進行消除。現今基于超構透鏡的大視場成像設計以平面超構透鏡為主。常見的利用雙曲線相位輪廓生成的超構透鏡只能對正入射光產生衍射極限聚焦，而在斜入射情況下焦點會發生強烈的畸變，因此需采用新的相位分布公式。大多數消單色像差超構透鏡的設計均以Chevalier Landscape鏡頭為參考，即在聚焦透鏡前放置一個較小的孔徑光闌，其將正入射與斜入射的光線分離從而由透鏡的不同部分聚焦。而通過設計透鏡的曲率和孔徑光闌的放置位置可一定程度上消除軸外像差。依據平面衍射光學元件的三階彗差和像散表達式，當孔徑光闌放置在透鏡前焦面時，可以有效消除彗差和像散，而衍射透鏡的場曲始終為零。因此，將這種設計方法應用到超構透鏡中，可以消除所有軸外像差。研究人員提出了一系列消單色像差的中紅外超構透鏡，這種特性使得透鏡能工作在大范圍視場，故又可稱為大視場超構透鏡，如圖3所示。

圖3 中紅外大視場超構透鏡

中紅外超構透鏡成像應用

偏振相關成像

偏振是光的固有屬性，它包含的信息通常被傳統基于強度的紅外熱成像傳感器所忽略，如目標的材質、結構、幾何形狀、粗糙度和表面取向等信息，因此偏振成像被廣泛應用于目標檢測和生物傳感等領域。近年來，許多學者基于超構透鏡實現了紅外手性成像、偏振成像或依據入射光偏振態的不同實現變焦或焦點分離聚焦成像，如圖4所示。

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圖4 中紅外偏振相關成像

可調及可重構成像

上述超構透鏡有一個共通的特性，即超構透鏡一旦制成，其功能就固定且無法改變，其應用范圍不能進一步擴展。于是具有可主動變化功能的可調諧超構透鏡被提出，如圖5所示。當下，有兩種常用的方法以實現可調超構透鏡，一種是通過改變微納米結構單元間近場相互作用引起的電磁耦合和散射相位差，可對超構透鏡的共振波長和輸出波前進行相應的調制；另一種是將活性物質整合到超構透鏡中，如銦錫氧化物（ITO）、相變材料、液晶和石墨烯等材料，它們的光學性質可以通過施加外部激勵（電、熱等）進行主動調諧。Ge2Sb2Te5（GST）和Ge2Sb2Se4Te1（GSST）等是比較常見的相變材料，能在非晶態與晶態這兩種相態之間相互轉換，通過兩種不同狀態下介電常數的不同實現動態可調的電磁波振幅和相位。除了相變材料，微機電系統（Micro-electro-Mechanical System，MEMS）也是實現可重構超構透鏡的一種方法。動態可調的超構表面透鏡特別適合成像和AR/VR等應用，這些應用則傾向于具有大范圍焦距的變焦透鏡。

圖5 中紅外可調及可重構成像

其他成像應用

如圖6所示，除了上述總結的比較常見的光學成像應用之外，基于超構透鏡的成像領域還有許多其他功能，在小型化夜視、生物傳感和多光譜成像等領域具有巨大的應用潛力。

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圖6 中紅外超構透鏡其他成像應用

結論

文中對中紅外超構透鏡及其相關成像技術進行了綜述，介紹了利用超構透鏡分別實現成像中三個重要指標的原理，列舉了中紅外超構透鏡在偏振成像、可重構及可調成像和其他成像中的一些應用。

雖然超構透鏡在中紅外波段已經取得了長足的進展，特別是在制造和設計方面，但仍存在許多挑戰。要實現更高的聚焦效率、更寬波段的消色差、更強的消單色像差能力等關鍵指標，才能滿足其真正走向應用的需求。目前，超構透鏡在中紅外波段的應用鮮少報道。同時，目前的成像應用實例大多實現的是單一功能，對于多種功能的疊加或切換需探索創新的工作原理和更復雜的設計方案。更值得一提的是，在進行大面積超構透鏡的設計與制備時，需要處理海量數據，往往會耗費大量的時間和計算容量，仍需探究更成熟的數據處理方式、設計方法與制備工藝。

總之，與體積較龐大且成本昂貴的傳統中紅外光學元件相比，超構透鏡具有出色的波前調制能力且具有優良的特性。同時，其加工與半導體工藝兼容，有望實現大規模生產制造。在可預見的未來，超構透鏡可能會廣泛采用在紅外光學系統中，并在紅外成像、機器視覺、遙感、醫學診斷，生物成像和材料科學等領域發揮重要作用。

編輯：黃飛

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