作為一種將光譜信息和空間信息相結合的技術，光譜成像在科學研究和工程應用中受到了廣泛的關注。設計優化具有亞波長尺度特征的超構表面可以對光場進行高效地調制。

據麥姆斯咨詢報道，近期，南京大學物理學院的科研團隊在《光電工程》期刊上發表了以“基于超構表面的光譜成像及應用研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為萬源慶，通訊作者為王漱明教授，主要從事微納光學、量子光學、超構表面設計和成像技術等方面的研究。

本文首先基于不同原理從超色散、窄帶濾波和寬帶濾波這三個方面重點介紹了多種機理的超構表面光譜成像，然后回顧了基于超構表面光譜成像的應用。最后，對目前超構表面光譜成像工作進行了總結并對未來發展方向進行了展望。

多種機理的超構表面光譜成像

基于超色散機理的超構表面光譜成像

對于一般的具有固有折射率色散的光學介質材料，不同波長的光對應有不同的光學響應。在超色散材料中，光的傳播速度和折射率會隨著頻率發生更加急劇的變化，這種特性使光的散射得到增強，一方面這會極大降低如通信、檢測、成像等全彩光學應用的性能，對此有很多科研人員進行了消色差的研究；另一方面利用這種超色散機制并加以調控，可以使超構表面在彩色成像或光譜層析分析等領域展現出優良的應用潛力。

傳統的彩色圖像傳感器通常用彩色濾光片獲得不同的顏色，然而隨著圖像傳感器的尺寸變得更小，每個像素接收到的光也變得更少，導致光的利用率降低。Nishiwaki等提出采用一種折射率比周圍材料更高的透明介質微型板狀結構來誘導光的偏轉，以達到分光的目的。如圖1（a）所示，這種結構包含對稱偏轉器和非對稱偏轉器，當光進入結構時，通過偏轉器傳播的光和沒有通過偏轉器傳播的光之間會產生相位差δ，δ與波長之間存在依賴關系，因此偏轉光的傳播方向隨波長的變化而變化。2015年，Li等基于廣義斯涅爾定律用一種由梯形納米柱組成的平面超構表面演示了在可見光范圍內把不同波長的光分開的過程。當光入射并沿短寬度激發時，30 ~ 150 nm寬的梯形納米柱顯示出接近統一的反射振幅和劇烈的界面相移。梯形納米柱的高度約為波長的1/20，因此可以忽略這種非均勻介質中光傳播路徑上的相位積累，即總相位不連續只是由超薄的超構表面引起的。他們在實驗上表征了這種異常反射，如圖1（b）所示，有三種反射光束模式，m=?1時是一階衍射模式，m=0時是正常反射模式，m=1時是異常反射模式，異常反射的光強最強，有利于增大光的利用率。

圖1 （a）對稱偏轉器和非對稱偏轉器的結構示意圖；（b）異常反射的實驗表征設置和實際拍攝圖片

除了上述基于異常反射的分光外，Capasso小組提出的離軸超構透鏡也被證明可以在高光譜分辨率的情況下同時聚焦或分散不同波長的光。根據上述原理他們先設計了一個可以將光以80°角聚焦的超構透鏡，由于大角度聚焦，超構透鏡具有超色散特性（0.27 nm/mrad），在電信區域的波長差異分辨率高至200 pm，圖2（b）是演示的一個較為集成的方案，將多個離軸超構透鏡集成在一個平面基板上，通過與CMOS相機相結合可以實現一個同時具有聚焦和超色散特性的緊湊型光譜儀，光譜分辨率最優為0.3 nm，總工作波長范圍超過170 nm，光束傳播長度只有幾厘米，并且還具有在一次測量中分辨不同螺旋度光的能力。然后他們提出了一種由亞波長TiO?納米柱組成的經過像差矯正后的離軸超構透鏡，通過設計相位及其相對于頻率的高階導數，在寬帶帶寬上保持焦點輪廓，焦點沿平面分布并且位置與頻率呈線性關系。最后他們演示了在近200 nm的可見光譜范圍內的最小焦點展寬，圖2（c）是經過像差矯正和沒有經過像差矯正的最小焦點展寬對比圖。這一系列的工作都明確地顯示了基于該技術制作的超構透鏡具有替代傳統光譜儀成為新一代小型光譜儀的潛力。

圖2 離軸超構透鏡。（a）顯示坐標的超構透鏡示意圖，聚焦線沿x′軸（垂直于聚焦軸）的位移作為波長的函數；（b）由超構透鏡和CMOS相機組成的緊湊光譜儀；（c）像差校正超構透鏡和貝里相位透鏡的實驗表征；（d）光譜范圍和光譜分辨率與結構參數之間的關系示意圖

然而，對這種離軸超構透鏡還沒有進行更為詳細的參數分析。周毅等研究了基于超構透鏡的光譜儀的結構參數對有效光譜范圍和光譜分辨率的影響。如圖2（d）所示，通過優化檢測平面的方向角，有效光譜探測范圍可以比垂直于光軸的普通檢測面探測范圍提高約3倍。結合數值衍射計算和解析幾何分析，發現設計高分辨率光譜儀時，應盡可能提高超構透鏡的孔徑直徑和離軸角。采用相反的思路，減小透鏡孔徑和離軸角或者增加焦距犧牲一定的光譜分辨率可以設計寬帶光譜儀。基于這些特點，他們針對不同的用途設計了兩種光譜儀，一種是寬帶光譜儀，工作范圍為800～1800 nm，光譜分辨率為2～5 nm，另一種是具有更高光譜分辨率的窄帶光譜儀，在780～920 nm范圍內分辨率為0.15～0.6 nm。

值得注意的是，離軸超構透鏡雖然具有較高的光利用率和較強的光譜分辨能力，但是卻難以在采集光譜信息的同時兼顧三維空間分辨率，因此距離4D成像的目標還有一段距離。2018年，Faraji-Dana等介紹了折疊超構表面的概念并制作了一個總體積僅有8.5 mm3的超緊湊線掃描微型高光譜成像儀（HSI）。如圖3（a）所示，HSI沿θ方向捕獲一維空間圖像的同時獨立測量直線上每個點的光譜，通過空間掃描HSI前面的對象，可以組成完整的三維數據立方體，所有的色散和聚焦功能可以通過三個反射超構表面、一個透射超構表面和一組襯底完成。盡管這種線掃描的方式在足夠的時間累積下能獲取物體的空間信息和光譜信息，但是它的應用大多局限在共聚焦顯微鏡下，難以實時對空間物體進行光譜成像。

圖3 （a）折疊超構表面示意圖；（b）SLIM系統中光譜重建算法的數值模擬結果；（c）高光譜成像系統的光學架構示意圖；（d）色散實驗的裝置和實驗結果的拼接圖

2022年華夏等利用橫向色散的超構透鏡陣列和一個單色成像傳感器演示了超緊湊光譜光場成像（SLIM），僅需使用一次快照就可以同時獲得光譜信息和空間信息。在SLIM系統中，為了同時獲得高光通量、高空間分辨率和高光譜分辨率，不可避免地會捕獲帶有光譜和空間混疊的圖像。光譜信息和空間信息耦合在一起，故將探測問題轉化為解決一個欠定的優化問題，通過引入光譜重建算法可以對其進行求解從而獲取場景中每個位置的光譜信息。圖3（b）是光譜重建算法的數值模擬結果，重建結果展示了該算法的有效性。此外，通過SLIM快照，還可以記錄彩色物體的空間分布在內的場景視覺信息并最終獲得4 nm的光譜分辨率和近衍射極限的空間分辨率。

除了光譜信息外，對偏振信息的檢測也是受到廣泛關注的研究方向，而基于相位調控的超構表面往往對光的偏振也有所響應。利用這一特性，可以設計出能同時檢測光譜和偏振的超構透鏡，然而在只需要探測光譜信息的情況時，超構表面對偏振的響應會極大地影響光譜信息的采集，因此需要設計偏振不靈敏的超構表面。由兩個正交方向的多個子周期單元組成超構表面的方案可以使超構表面具有偏振獨立衍射的性質。因為每個子周期在兩個正交方向上的占空比是獨立的，因此可以同時操縱TE和TM偏振的有效指數，模擬結果表明，對于正常入射光，TE和TM在0.7 μm參考波長下的衍射效率分別為79.2%和79.3%。

綜上所述，相比起傳統光柵光譜儀，基于超色散的超構表面光譜成像可以在一定程度上減小光學元件和光學系統的體積，并且成像系統相比起傳統基于多個透鏡的成像系統具有更輕巧、更便捷的優點，通過不斷改進設計方案，光譜分辨率可以得到進一步提升。需要注意的是，基于超色散的光譜儀都有一個共同的特點，即入射光需要保持正入射才能實現有效分光，因此在使用光譜儀之前還需要在光路中加入額外的準直光路。

基于窄帶濾波機理的超構表面光譜成像

通過濾波進行光譜探測是實現光譜成像的另一種方案，然而傳統濾波器一般需要經過多個介電層的沉積，制造過程相對復雜，阻礙了濾波光譜成像的發展道路。近十幾年來，隨著制作濾波器的材料范圍擴大和工藝技術提升，基于窄帶濾波的光譜儀展現出了巨大的光譜成像潛力。根據濾波的方式，窄帶濾波器可分為透射型濾波、吸收型濾波和反射型濾波；根據濾波波長的可調諧性質，可以分為可調諧型濾波和陣列性濾波。下面分三種濾波方式介紹了不同類型的窄帶濾波超構表面光譜成像的研究進展。

透射型超構表面濾波器

透射型窄帶濾波器對透射光具有寬帶吸收或寬帶反射的作用，只允許特定波長窄帶光透過，雖然高分辨率的微型集成濾光片是高分辨光譜儀的重要組成部分，但是傳統的工藝水平很難制造出高透光率的集成濾波片。王少偉等開發了兩種高效的制造集成濾波器陣列的方法，一種是組合蝕刻技術，另一種是沒有任何蝕刻工藝的組合沉積技術。利用后一種技術，他們制作并演示了基于128個通道的集成光柵濾波器陣列的高分辨率微型光譜儀，如圖4（a）所示。在波長范圍722～880 nm內的光譜分辨率為1.7～3.8 nm。然而，在具有高光譜分辨率這一優點的同時，它還存在對光的利用率較低這一缺陷，通道的峰值透過率在21%～65%之間。

圖4 基于透射型超構表面的光譜成像。（a）集成濾波陣列組成的緊湊型光譜儀；（b）具有不同納米柱寬度的一組濾波器模擬透射光譜；（c）超構表面快照光譜成像儀的示意圖；（d）多光譜拼接濾波器生成過程示意圖；（e）未知源入射功率的目標檢測策略框圖

為了獲得高透射率的尖銳透射峰，科研人員研究了不同結構和材料的濾波性質。等離子體納米結構能夠在亞波長范圍內實現對光場的調制，其中金屬-絕緣體-金屬（MIM）波導結構已被證實可以在可見波段將白光轉換成特定顏色的光，并且波導的上下兩層金屬結構決定了其在電光系統中能很容易被集成，有利于壓縮器件尺寸。

為了增強倏逝光場以增加透射，等離子體濾波片需要結合金屬-介電界面中的表面等離子體激元。已有研究表明，由于表面等離子體激元的存在，在可見光和近紅外波段區域中，光與金屬和介電材料之間的界面具有電子振蕩相互作用，從而導致了納米孔陣列中特殊的光傳輸或共振，這使其表現出濾波片的特征，孔間距和孔尺寸對透射共振的峰值位置和帶寬有調制作用。然而，傳統納米孔陣列的透射共振由于低帶外阻塞和寬共振光帶寬而不能有效地分離顏色。受益于表面等離激元-能量匹配特性，具有空腔的納米孔陣列可以提供更高的共振傳輸效率和更窄的共振帶寬。甘雪濤等演示了一種基于高品質因子（Q）半導體平面光子晶體納米腔的緊湊光譜儀，通過平面二維波導的耦合，在840 nm波長處分辨率高達0.3 nm。Najiminaini等開發了一種二維快照多光譜成像儀，在透射光譜中，觀察到與（1，0）和（1，1）表面等離激元激發相關的兩個主要共振峰，其中（1，0）共振傳輸效率在55%到62%之間。

除了上述的濾色方法外，設計高分辨率濾光片最常見的方法是使用一對寬帶高反射率反射鏡形成一個法布里-珀羅（FP）諧振腔，超構表面的引入會進一步增強對光的調制。Horie等將介電超構表面層放在具有較高Q的垂直FP諧振腔中，腔內的往返相位通過獨立地調整納米柱的寬度得到了極大的改變，最終在波長范圍為1550±250 nm內獲得了7個尖銳的透射峰，如圖4（b）所示。

此外，利用光柵的色散性質，Kaplan等提出了一種基于Ag光柵的金屬諧振納米結構濾色器，選擇合適的光柵周期即可將入射光納入特定共振波長的波導模式。利用這種原理獲得的透射光透射率相對較高（約75%），然而濾波片的尺寸較大，約為1.25 cm×1.25 cm，而且還存在半峰全寬（FWHM）較寬、透射峰較少等缺點。2020年，McClung等提出了一種透射率較高（77%～98%）且FWHM很小的濾波方案，他們結合超色散和濾波片的原理，演示了一種并行光學處理范式的快照光譜成像器。圖4（c）是成像系統示意圖，兩個超構表面位于玻璃基板的兩側，形成陣列，每一對超構表面作為單色相差校正的透鏡，將不同波長的光引導到對應的陣列，然后經過超構表面濾波器去除掉雜散光，最終得到了高分辨率光譜圖像。

上述研究的濾波片工作波長都沒有超過可見到近紅外范圍，Lee等證明在太赫茲波段，也能通過網格濾波器陣列進行光譜編碼，中心頻率與濾波器在超構表面中的位置成正比，濾波范圍為0.2 THz～2.0 THz。同年，科研人員還報道了一種具有更寬波長范圍的多光譜材料，通過將可見和紅外等離子體濾波器與太赫茲超材料吸收器雜交，它可以在RGB三原色波長、單個近紅外波長、單個短波紅外波長和兩個中紅外波長處實現濾波，此外它還可以吸收單個太赫茲頻率。

基于窄帶濾波器陣列的高光譜成像具有易與其他光電探測器集成的優點，2022年，Lee等在CMOS圖像傳感器上制造了電介質多層濾波器，每個光譜通道的傳輸波長通過在相應的像素上嵌入相應尺寸的硅納米孔陣列進行選擇，最終在700～950 nm區域內獲得了2 nm的高光譜分辨率，所有工作波長的透光率均超過60%。

直接把窄帶濾波器鑲嵌覆蓋在CMOS/CCD上，是實現集成多光譜成像的一個想法，但同時也存在濾波片與像素之間易錯位的問題，難以從低分辨輸入中重建高分辨率光譜圖像。使用智能算法可以糾正這種錯位問題。繆立丹等基于二進制樹形網絡解碼估計了錯位造成的缺失光譜分量，他們先生成了多光譜拼接濾波器，如圖4（d）所示，通過遞歸地分離類似棋盤排列的濾波片，獲得了各種模式，其中每一種數字表示一種波長，然后通過波段選擇、像素選擇和插值三個步驟重建了原光譜域，在實驗上針對四個波長的光譜通道實現了圖像重建。

吸收型超構表面濾波器

吸收型濾波器對透射光具有特定窄帶波長光的吸收，根據這一特性，基于吸收型窄帶濾波的光譜成像系統通常將光電探測器集成在濾波片的后面，探測到的光強在吸收峰值處會驟然下降，另外一種方法是直接把濾波片作為電極，通過產生的光電效應的強度判斷波長的位置。

液晶分子會隨著施加場的大小變化而改變轉向，這會導致液晶折射率發生改變，因此液晶與亞波長光柵結合的器件可以看做一個可調諧濾波器，隨著有效折射率的減小，濾波片的共振波長將發生小范圍的藍移。為了拓寬濾波范圍，Grant等將一個紅外超構材料吸收層嵌入到一個標準的太赫茲超構材料吸收層中，在除了109 μm（2.75 THz）共振吸收峰外獲得了中心波長為4.3 μm的窄帶共振。如圖5（a）所示，他們采用的金屬十字型結構是一種電環形諧振器，在實際應用中，十字型結構的臂長度決定了共振波長峰值位置，而絕緣層厚度和折射率特性決定了吸收幅度。盡管對于單個濾波器來說，僅僅通過兩個峰實現光譜分析顯然不夠，但是這種結合兩個結構材料的方法可以為增大濾波范圍提供新思路，并且共振波長可調諧的性質也使其有潛力應用到陣列型濾波器中。

圖5 基于吸收型超構表面的光譜成像。（a）多光譜超構材料的三維原理圖；（b）混合等離子體-焦電裝置示意圖；（c）在共振峰處激發的電場分布；（d）多層超構表面吸收器示意圖

除了利用光電響應檢測吸收光外，結合了納米光子學和熱電學的諧振熱電等離子體吸收器也可以用于光譜探測。2016年，Dao等展示了一種具有窄帶光譜選擇性的混合等離子體-焦電裝置，如圖5（b）所示，該裝置由一個等離子體完美吸收器和一個內置熱釋電ZnO層組成，通過改變等離子體吸收器的圓孔直徑，實現了波長范圍為3.88～5.5 μm的共振吸收峰調控（圖5（c））。在可見光波段，Mauser等設計了一種具有共振光譜選擇性的亞波長熱電納米結構，即使在未聚焦的空間光場均勻照射下，也能利用高光約束來控制納米體積內的溫度梯度，從而產生熱電電壓，通過改變亞波長熱電納米結構的周期、厚度等參數，即可進行特定波長的檢測。

高分辨率光譜成像決定了吸收波的高吸收幅值和窄FWHM，然而前面提到的吸收型濾波器雖然能在特定波長范圍內進行吸收濾波，但是還需要在獲得尖銳的吸收峰方面做出進一步研究。2022年，一種惠更斯超構表面因為其對特定光的良好吸收屬性而被用于多光譜成像，與只能支持如電偶極子（ED）或磁偶極子（MD）單一共振的普通介電超構表面不同的是，它可以同時激發統一波長的兩種共振模式，這使得單層吸收器獲得了超過70%的吸收，如圖5（d）所示。除此之外，還有一種由連續體中的束縛態（BIC）所引起的共振現象也可以產生與吸收型超構表面濾波器相同的效果，在現實中，品質因子（Q）和共振寬度往往達不到理想條件，此時BIC可以看做準BIC。Yesilkoy等利用由準BIC激發的高Q近紅外共振全介電傳感器陣列，演示了一種可以在一次測量中進行多路分析物檢測的新型平臺。在BIC中，特定頻率的波由于一種或多種散射途徑的干涉而被束縛在結構內部，與吸收型超構表面濾波器不同的是，BIC涉及的共振現象不屬于共振吸收而是一種光約束現象。

反射型超構表面濾波器

反射型窄帶濾波一般通過測量透射波的突變來觀察反射峰值。平面介電波導光柵中的共振現象已經得到了證明，特定的入射光波長和角度會耦合成一種被引導進入自由空間的模式，因此對應的模式不能經過結構傳輸到下一層。根據這種特性，Lin等制造了一個波長范圍為506～915 nm的基于梯度光柵周期的導模共振濾波器，如圖6（a）所示，寬帶光正入射時，激發結構并引起共振的特定波長光被反射到自由空間中，其余光通過濾波片正常傳輸。一般地，超構表面中的高Q共振是通過超輻射和次輻射模式的干涉而產生的，除此之外，利用Mie共振的集體行為，也能設計出沒有額外光譜背景的高Q共振。由圖6（b）可見，分子振動和介電諧振器周圍增強的電場之間的耦合會引起單個元像素反射光譜的顯著調制，每一個尖銳共振峰反應了近似統一的反射強度（平均Q > 200）。

圖6 基于反射型超構表面的光譜成像。（a）導模諧振濾波器的原理圖和透射光譜；（b）像素化介電超構表面的分子指紋檢測

本小節主要分析總結了基于透射型、吸收型和反射型超構表面的窄帶濾波，與前兩者相比，基于反射型超構表面的窄帶濾波需要一定的空間收集光，因此體積相對較大。由于大部分的窄帶濾波是通過共振而非衍射來選擇波長的，所以對入射光的入射角度要求不高。需要注意的是，盡管窄帶濾波器的峰值透射率可以通過一些方案提高，但是整個波段的平均透射率仍然很低，導致整個器件的效率較低，而且對于陣列型窄帶濾波光譜儀，由于濾波片之間的距離較小，容易發生串擾，因此對濾波光的FWHM要求較高。

基于寬帶濾波機理的超構表面光譜成像

綜合利用超色散和窄帶濾波的超構表面光譜成像來看，較強的光譜分辨能力和較高的光利用率很難兼顧，這是因為前者的分辨率與光程成反比，在原理上不利于小型化，而后者會過濾掉大部分光。近年來，得益于計算光譜和算法的發展，基于寬帶濾波的超構表面盡管不能像窄帶濾波那樣直接分辨光譜，但是可以通過復雜的后端算法重建光譜信息，高分辨率和易于集成化的微型成像系統使其在光譜成像領域中占領著重要的位置。

圖7（a）是經典的基于寬帶濾波的超構表面高光譜成像系統，它由超構表面層、微透鏡層和CMOS圖像傳感器組成，其中超構表面層包含N個自由形狀結構陣列，每一種結構對應不同的寬光譜響應。入射光經過超構表面濾波和微透鏡陣列聚焦后，通過圖像傳感器轉換為電信號。

圖7 （a）基于光子晶體（PC）板的微型光譜儀；（b）光子晶體濾波器和新型濾波器的重建光譜對比圖；（c）納米柱的設計和制造圖；（d）基于超構表面的多光譜和偏振檢測原理圖

通過寬帶濾波實現光譜成像有兩個重要的步驟，第一步是獲得隨機分布的寬光譜曲線，第二步是利用算法重建光譜，由于欠定方程求解的特殊性，一般來說光譜響應曲線特征越明顯，光譜重建能力越高。下面分這兩個步驟來總結近年來出現的寬帶濾波超構表面光譜成像。

隨機分布的光譜響應曲線

由等離子體濾波器為代表的共振濾波器是一種常見的濾波方法，但是這些濾波曲線的形狀比較單一，不是理想的寬帶濾波器。將超構表面嵌入一個光學腔，可以在多個波段支持共振，結合超構表面的傳播相位和法布里-珀羅干涉原理，理論上該方法能將納米腔厚度降低到傳統的最小值λ/（2n）以下，極大地縮小濾波器的尺寸，然而在實踐中制作過程比較復雜。近年來，由多個孔陣列構成的光子晶體板被用來獲得寬帶光譜響應，由于入射光束中的每一個波長分量在每個孔徑處都有位移的衍射角，因此光束中的所有波長分量的總衍射信號是唯一的，即不同的孔徑陣列對應了特定的光譜響應。Liu等通過在光子晶體板上添加金（Au）納米柱，引入了表面等離子體共振效應，使光子晶體板的透射曲線表現出窄帶響應，從而進一步增強了濾光器的光譜重建能力，圖7（b）是有窄帶引入和無窄帶引入的重建光譜對比圖。與孔徑陣列對應的納米柱陣列也能通過合理的設計表現出優異的光譜響應，Xiao等還研究了納米柱的周期和高度對透射光譜的有效調制，如圖7（c）所示，不同的p值和h值分別影響透射峰的波長偏移和透射率的變化。

雖然已經有大量的結構材料可以獲得高透射率的光譜響應，但是他們無一例外的都是屬于被動超構表面，即每一種結構對應著固定的光譜曲線。因此研究能調諧光譜響應的主動超構表面對光譜光場調控具有重要的意義。目前，液晶、石墨烯、多量子阱結構和相變材料是實現主動超構表面的方法。其中，考慮到高透射和穩定性等因素，基于過渡金屬硫族化合物如GeSbTe（GST）的相變材料成為了光譜濾波主動超構表面的理想候選材料。與其他材料不同的是，GST可以在電或熱的作用下從非晶相（a-GST）轉換為晶相（c-GST），并在結晶時表現出顯著的可逆折射率調制，如圖8（a）所示，因此基于GST的超構表面的光譜響應對電、熱具有強烈的依賴性。圖8（b）是結合了雙層金屬材料和相變材料Ge2Sb2Te5的MIM結構，這種結構已經被證明在中紅外區域具有良好的寬帶濾波效應，圖8（c）展示了分別以a-GST和c-GST作為介質層時的反射光譜和電場分布，對于同一個相，波峰之間的波長差異是由結構中的歐姆損耗引起的。在實際調控中，GST的狀態通過改變結晶度m來調控，部分結晶GST的介電常數可以通過有效介質理論獲得，不同的結晶度對應著不同的光譜響應。

圖8 調諧型超構表面。（a）基于GSST的相變超構表面光譜調制器；（b）MIM結構的橫切面圖；（c）a-GST和c-GST作為介質層時的反射光譜和電場分布；（d）電可調諧濾色器示意圖；（e）石墨烯超構表面調制器原理圖

除了在材料上選用可調諧的相變材料實現主動超構表面這種方法外，通過電來調諧液晶、石墨烯超構表面也是一種實現主動超構表面的有效手段，如圖8（d）所示，Lee等通過結合非對稱晶格納米孔陣列和扭曲向列相液晶，提出了一種具有電開關偏振旋轉器功能的超構表面，波長調諧位移大于120 nm。圖8（e）是由金屬納米結構和石墨烯集成的介電腔，這可以作為一種石墨烯超構表面調制器，反射光譜通過電壓VG來調整，特征波長能在8.31 μm～9.477 μm范圍內進行調諧。

光譜重建算法

基于寬帶濾波的超構表面經過快照捕獲的目標光譜是一種重疊的光譜，因此有必要通過光譜重建算法提取原始光譜信息。目前使用較多的算法有最小二乘法、Tikhonov正則化、壓縮感知以及基于神經網絡的深度學習方法。

對于如圖9（a）所示的系統，其中的欠定線性方程組在理論上可以用最小二乘法求解，然而建模誤差、實驗測量誤差以及系統噪聲等不可避免的干擾可能會導致求解結果與真實值相差較大。

圖9 光譜重建算法。（a）光譜重建系統示意圖；（b）寬帶光譜的重建結果；（c）基于CS理論的窄帶光譜重建結果；（d）參數約束光譜編碼器和解碼器的設計框架；（e）基于深度學習的重建結

近年來，隨著深度學習在各個方面的應用越來越廣泛，利用深度學習進行光譜反演也成為了高光譜圖像的一種重建方法。此外，傳統的濾波器設計方式大多是啟發式的，可能沒有充分發揮濾波器的編碼能力，而利用深度學習可以設計出最佳目標頻譜對應的結構，圖9（d）是一種參數約束光譜編碼器和解碼器的設計框架，其中寬帶編碼隨機濾波器（BEST）作為編碼器，光譜響應通過預訓練的網絡受到濾波器結構參數的約束，如果在每個訓練階段將一批頻譜輸入到編碼器中，則解碼器會給出相應的輸出，即重構的頻譜，對重構頻譜的損失函數如均方誤差（MSE）進行評估，并將誤差反向傳播到結構參數（周期、高度、寬度等），從而可以設計出最優編碼器和解碼器。基于深度學習重建的頻譜峰值分辨率為5.2 nm，如圖9（e）所示。與CS相比，深度神經網絡有兩個優勢，一是頻譜重建的速度可以快幾個數量級，二是訓練良好的深度神經網絡具有更好的去噪能力，因為在訓練的過程中可以添加更多的不同水平噪聲樣本來訓練去噪能力，需要注意的是，深度學習需要大量的數據集進行訓練，并且訓練數據和參數選擇對重建結果有極大的影響，因此采用合理的數據集訓練神經網絡是關鍵的一個步驟。

光譜成像的應用

與傳統光譜儀相比，基于超構表面的光譜成像系統因為超高光譜分辨率、空間占用體積小和易與CMOS傳感器直接集成等優點，在生物傳感、遙感、醫學診斷和人臉識別等領域都有著廣泛的應用前景。

在分子層面上，探測蛋白質、DNA等大分子結構的狀態可以使用化學熒光團對目標結構進行標記、然后通過探測器探測熒光團發出的光進行分析的研究方法，基于超構表面的光譜成像因為具有快照的優勢而可以被用于快速熒光測量。然而對于一些特殊情況，熒光標記可能會損壞分子或細胞的結構，因此需要采用無標記的技術。中紅外光譜是一種強大的無損和無標記的技術，被廣泛用于識別生物化學組成部分，但是由于中紅外波長與分子尺寸不適配，光譜靈敏度往往會受到限制。Tittl等提出利用亞波長諧振器的強近場增強可以克服這一限制，當由亞波長諧振器組成的濾波片的共振與吸收分子的光譜重疊時，增強的分子-諧振器的耦合會導致共振頻率或強度的變化，如圖10（a）所示，在分子被吸附前，所有的峰值反射率都被歸一化為1，當單層分子被吸附在諧振器上時，光譜發生變化，用多個組合的光譜通道可以檢測重組蛋白A/G是否被吸收。基于類似的原理，他們還提出并演示了一個超靈敏的大面積無標記生物傳感分析平臺，在數百萬個圖像像素中能獲取空間分辨的光譜，這可以用于大面積分析生物實體和原子層厚的二維材料。圖10（b）展示了如何通過這種方法探測石墨烯的光學特性，由于石墨烯在近紅外（NIR，n= 2.69，k= 1.52）中的光學響應，所以存在約為3 nm的紅移和線寬展寬，在超構表面平臺上覆蓋一張石墨烯，邊緣用白色虛線標記，通過條形碼傳感技術檢測了由于超構表面與石墨烯的局部相互作用增強而出現的光譜變化，光譜位移和線展寬信息與石墨烯的光學特性一致。值得注意的是，對于由多個分析物混合得到的樣本，通過簡單的線性分解能獲得原分析物的光譜，然而對于涉及了多個分析物和生物分子的動力學相互作用，即非線性過程，該分析方法就不再適用了。通過借助更復雜的基于神經網絡的圖像重構或機器學習等算法可以提高對分析物的分辨能力，孟佳軍等實驗演示了一個用于化學鑒定的緊湊微光譜儀平臺，他們通過機器學習算法對微光譜儀的輸出光譜進行了分析和分類，實現了對液體化合物質的高精度鑒定，該方法也可以用于食品和藥物的分類。

圖10 （a）分子指紋檢索和空間吸收繪圖；（b）利用介電超構表面對石墨烯進行光學表征；（c）用于小鼠腦血流動力學成像的超構表面裝置圖

與分子層面上的靜態光譜探測相比，基于實時光譜成像的動態光譜探測在生物醫學研究中有著更為巨大的潛力。一種基于壓縮感知算法的超光譜成像芯片可以用于腦血流動力學成像，如圖10（c）所示，該芯片包括158400個可重構的超構表面單元，在物體的光譜重建過程中，超構表面中相鄰的單元可以動態地被組合成可重構、自適應的微光譜儀。

人臉識別是一種生物識別的身份認證方法，與傳統密碼不同的是，人臉這一生物特征特性不易被盜竊或改變，因此提供了更好的安全性能，在安防系統、日常生活中有著廣泛的應用場景。然而在一些場景中可以通過打印的照片或面具來攻擊人臉識別系統，盡管利用三維人臉識別或視頻分析能檢測出假臉，但是隨著3D打印技術的興起和仿生硅膠技術的發展，面具做得越來越逼真，難以識別。Kim等基于結構光提出了一種全空間衍射超構表面，這可以為人臉識別和汽車機器人視覺應用提供超緊湊的深度感知平臺。此外，光譜分析一直是鑒別不同材料的有效工具，Rao等開發了一種能獲得面部高精度高光譜信息的快照圖像傳感器，只需要50 ms即可高精度地測量面部的反射光譜并得到血紅蛋白的吸收峰。圖11（a）是傳感器分別對真臉、紙質面罩、硅膠面具和硅膠原料的光譜測量結果，通過光譜的特征能有效地區分出真臉和假臉，這種檢測系統在真實世界的測試場景中準確率高達97.98%。

圖11 （a）對真臉和其他面具的光譜測量結果；（b）密碼顯示的工作原理圖；（c）通過可見光波段不透明物體的近紅外成像演示

除了通過光譜來研究探測物外，利用超構表面的光譜響應還能實現一種加密顯示，Yoon等提出了一種雙模超構表面的概念，它可以同時控制透射和反射兩種操作模式的相位和光譜響應。在透射模式下，超構表面通過調整入射光的相位分布，使其顯示出“3.141592…”，在反射模式下，通過白光照明會產生一幅反射的“π”彩色圖像，如圖11（b）所示。彩色圖像經過超構表面光譜成像系統后被分解成光譜的形式，同樣地，利用光譜也能通過一些方法（如CIE 1931色彩空間）進行顏色重建。與傳統相機僅在可見光下成像相比，超構表面光譜成像系統還能實現對可見波長不透明的物體近紅外成像，如圖11（c）所示，涂有黑色墨水的玻璃遮擋了放置在其后的環狀物體，在傳統相機下很難看到的圖像通過多光譜成像系統能被觀察到，超構表面光譜成像系統在特殊場景成像方面有很大的潛力。

總結與展望

本文首先分析總結了多種機理的超構表面光譜成像，工作原理主要分為超色散、窄帶濾波和寬帶濾波三種，其中窄帶濾波包含透射型、吸收型和反射型三種濾波方式，寬帶濾波包含獲得隨機分布的光譜曲線和利用光譜重建算法重建光譜這兩個關鍵的步驟。然后回顧了近年來超構表面光譜成像在實際中的應用研究。由于超構表面可以很容易地集成到二維平面中，因此基于超構表面的光譜成像對實現緊湊型光譜儀有重要的意義。

通過分析還可以客觀地看到，基于超構表面的光譜成像目前還存在一些瓶頸，主要包括：1）超色散的原理限制了集成化。利用超構表面本身存在的色散，并通過相位調控使波長在空間中依次排列實現的光譜成像具有較高的光利用率和較強的光譜分辨能力，然而對于集成度和分辨率難以兼顧。2）窄帶濾波對工藝技術的要求較高。窄帶濾波利用頻率的主動選擇進行光譜成像，通過犧牲光利用率達到了非常高的集成度，但是普通的微納制造技術難以達到對精確度的要求，光譜分辨率受限于制造工藝的發展。3）寬帶濾波需要復雜的重建算法。寬帶濾波將對硬件的重心轉移到后端光譜重建算法上，在具有較高的光利用率的同時保持了高集成度，分辨率與算法的精確度息息相關，因此需要大量的數據集和時間訓練算法。雖然基于超構表面的光譜成像還存在上述的一些不足，但隨著技術的發展和研究的進一步深入，光譜重建算法的效率將得到進一步優化，制造工藝的精度也將得到提升，相信未來能突破現存的瓶頸，實現真正意義上的高分辨緊湊型光譜儀。

編輯：黃飛