光学系统的微纳集成化是新一代信息技术发展的重要趋势，如何在有限空间内实现突破传统极限、甚至原来没有的新功能，是科研人员一直追求的目标。在传统光学中，过薄的透镜会导致图像失真与不清晰，导致传统光学元件和系统大多数体积庞大、空间占比高。越是高清镜头就越是需要复杂透镜组合，很难满足微纳集成化的发展需求方向。
如何实现只用一个超薄透镜或者两层超薄透镜层叠就能看清目标物体？研究人工光学功能元器件成了科研人员回答这一问题的出发点，其中超构表面透镜是一个可行的研究方向。
超构表面是一种微纳光学结构，可以在亚波长尺度上实现丰富的微纳光场调控。超构表面可以实现大梯度的相位和偏振控制，使得许多超薄光学元器件成为可能，有利于集成光学系统的发展。10多年前，哈佛大学和复旦大学研究团队分别利用超薄平面光学元件对界面相位人为地进行了不连续调控，引发了研究人员对超构表面领域的广泛关注。如今，超表面光学元件正在经历着微纳结构多维度设计、微纳制备、器件应用、系统集成等全链条发展。
超构表面的灵活可调使得其在光学成像应用上具有更加优越的性能，近年来得到了广泛关注。为了减小光学元件的占用面积，科研人员运用超构表面的光波导相位调控，提出微纳结构光学响应代替宏观尺度调控。通过高效大偏折角度滤波器、高/超分辨成像超表面，高分辨光纤束显微物镜等新型光子器件，为平面光学成像中超高分辨率、色散调控等问题提供新方案。顺其自然地，这些方案可适用于微光学场景下的成像应用，例如内窥镜等。
最近，面向生物医学领域中内窥镜等微光学成像的需求，我国科研团队设计并研制了像差矫正超构表面显微物镜，克服了传统物镜需要复杂结构来校正像差的难题，获得了大视场高分辨成像。其中超表面物镜最大光学直径不超过400um，这正体现了超表面的微纳集成化优势。通过与传像光纤束的组装调试，制备出纤维内镜系统中的核心部件，能实现5倍放大率下分辨率优于1μm，这将有望实际应用于数字诊疗等领域。
除此之外，面向AR/VR、裸眼3D显示中核心控光器件成像功能的需求，科研人员还利用单层超构表面结构，研制了全可见光波段宽带消色差的超透镜阵列，实现了消色差的3D集成成像。该方案里超透镜厚度仅仅在几百纳米的级别，与传统需要多个几何透镜组合来消色差的方法相比，大大提高了控光器件的集成度，这将有望应用在可穿戴的便捷式3D显示领域。
回顾超表面十多年的发展，研究人员不断优化超表面的性能，拓展了大量的应用场景。除了成像应用，超构表面在光谱识别、信号传输等方面都拥有广阔的发展空间。超表面的研究在光学元件的设计、光学系统搭建等方面为科研工作者提供了参考方案，促进了微纳集成光学系统的发展。
参考文献
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2. Nature Materials 11, 426 (2012). 超构表面实现高效模场转换
3. Photonics Research 9, 106 (2021) . 面向内窥的超构显微物镜
4. Light: Science & Applications 8, 67 (2019). 面向光场3D显示的超构透镜阵列
5. Nanophotonics 8, 1279 (2019). 超构透镜实现高效率超分辨聚焦
6. Light: Science & Applications 10, 52 (2021). 面向超构透镜的干涉成像相位测量技术
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