傳統(tǒng)成像系統(tǒng)在獲取場(chǎng)景多維光場(chǎng)信息時(shí)面臨顯著技術(shù)瓶頸。近日，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于《Nature Communications》發(fā)表的最新成果表明，基于單層超表面的單目成像系統(tǒng)可在環(huán)境光下單次曝光同步獲取場(chǎng)景的二維全聚焦強(qiáng)度、深度及偏振信息，為多維成像領(lǐng)域提供了革命性解決方案。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在體積、復(fù)雜度及能耗上的限制，在機(jī)器視覺(jué)、生物醫(yī)學(xué)及遙感等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。

    一、傳統(tǒng)多維成像技術(shù)的局限性與研究背景
    （一）多維光場(chǎng)信息獲取的技術(shù)挑戰(zhàn)
    傳統(tǒng)相機(jī)僅能記錄二維強(qiáng)度圖像，而三維深度與偏振信息的同步采集長(zhǎng)期依賴(lài)復(fù)雜光學(xué)架構(gòu)。例如，結(jié)構(gòu)光三維成像需主動(dòng)激光照明，雙目視覺(jué)受基線(xiàn)長(zhǎng)度限制深度分辨率，偏振成像則普遍采用振幅分割或時(shí)域復(fù)用方案，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大且實(shí)時(shí)性不足。隨著自動(dòng)駕駛、智能感知等領(lǐng)域?qū)?chǎng)景全維度信息需求的提升，研發(fā)緊湊型、高集成度的多維成像系統(tǒng)成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的重要目標(biāo)。
    （二）點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的維度編碼機(jī)制
    成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）對(duì)光場(chǎng)信息的編碼能力是突破上述瓶頸的關(guān)鍵。理論上，若PSF對(duì)目標(biāo)深度（z）與偏振態(tài)（p）具有強(qiáng)相關(guān)性，則可通過(guò)單次成像實(shí)現(xiàn)多維信息解耦。標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的離焦PSF因自相似性導(dǎo)致深度估計(jì)精度有限，而雙螺旋PSF等傳統(tǒng)衍射元件雖優(yōu)化了深度相關(guān)性，卻面臨計(jì)算復(fù)雜度高、需參考圖像等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)多維成像需求。

    二、超表面相機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新與系統(tǒng)架構(gòu)
    （一）偏振解耦的共軛單螺旋PSF設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的核心在于優(yōu)化設(shè)計(jì)的單層超表面，其通過(guò)納米結(jié)構(gòu)調(diào)控光場(chǎng)矢量特性，生成一對(duì)空間分離、偏振正交的共軛單螺旋PSF。具體而言，超表面將x偏振與y偏振光分別聚焦于探測(cè)器平面的橫向偏移位置，形成具有深度依賴(lài)特性的旋轉(zhuǎn)矢量場(chǎng)。目標(biāo)深度信息被編碼于PSF平移矢量的局部方向，而偏振態(tài)則由正交偏振光的強(qiáng)度分布表征，實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)信息的物理維度解耦。
    （二）超表面微納結(jié)構(gòu)與光學(xué)表征
    超表面單元由藍(lán)寶石襯底上的矩形硅納米柱陣列構(gòu)成，納米柱高度600nm、周期330nm，通過(guò)調(diào)控寬度（100-250nm）與長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)相位分布優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)在800nm近紅外波段可生成理論設(shè)計(jì)的單螺旋PSF，其離軸角與目標(biāo)深度呈線(xiàn)性關(guān)系，費(fèi)舍爾信息較標(biāo)準(zhǔn)鏡頭提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為高精度參數(shù)估計(jì)奠定物理基礎(chǔ)。

    三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能分析
    （一）靜態(tài)場(chǎng)景多維成像能力
    在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)由紙張、鐵和陶瓷組成的多深度場(chǎng)景進(jìn)行單次拍攝，通過(guò)圖像分割與模板匹配算法解碼后，深度圖歸一化平均絕對(duì)誤差（NMAE）僅0.37%，偏振對(duì)比度（I?/I?）清晰區(qū)分金屬與非金屬材料特性。該結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下的多維信息同步采集能力。
    （二）動(dòng)態(tài)場(chǎng)景實(shí)時(shí)感知性能
    室外動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)以-10cm/s速度移動(dòng)的玩具汽車(chē)進(jìn)行跟蹤成像，靜止目標(biāo)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的深度估計(jì)NMAE分別為0.78%與1.26%，成功捕捉三維場(chǎng)景的時(shí)空演化關(guān)系。盡管室外場(chǎng)景因積分時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊，但其深度估計(jì)精度仍維持在工程應(yīng)用可接受范圍。

    四、應(yīng)用前景與技術(shù)拓展
    （一）關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用潛力
    1.智能駕駛與機(jī)器人視覺(jué)：環(huán)境光下的實(shí)時(shí)四維成像可提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜路況的三維感知精度，偏振信息有助于區(qū)分不同材質(zhì)障礙物（如積水路面與干燥路面），增強(qiáng)惡劣天氣下的環(huán)境魯棒性。
    2.生物醫(yī)學(xué)顯微成像：緊湊型系統(tǒng)可集成于內(nèi)窺鏡等設(shè)備，深度信息支持細(xì)胞三維重構(gòu)，偏振分析適用于生物分子取向檢測(cè)，為活細(xì)胞動(dòng)態(tài)觀測(cè)提供新工具。
    3.遙感與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：通過(guò)多光譜超表面拓展，可實(shí)現(xiàn)地物材質(zhì)與深度的同步反演；在AR領(lǐng)域，單次成像獲取的四維光場(chǎng)信息可顯著提升虛實(shí)融合場(chǎng)景的真實(shí)感。
    （二）未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向
    當(dāng)前系統(tǒng)尚局限于窄光譜帶寬，未來(lái)可通過(guò)以下路徑優(yōu)化：
    -多光譜與全偏振拓展：利用超表面波長(zhǎng)依賴(lài)特性設(shè)計(jì)多通道PSF，結(jié)合壓縮感知算法實(shí)現(xiàn)全斯托克斯偏振成像與光譜分析；
    -算法與硬件協(xié)同優(yōu)化：引入深度學(xué)習(xí)提升復(fù)雜場(chǎng)景的逐像素多維解算效率，通過(guò)多層超表面堆疊擴(kuò)大視場(chǎng)與離軸角度；
    -工程化集成設(shè)計(jì)：優(yōu)化納米加工工藝降低成本，推動(dòng)系統(tǒng)與CMOS探測(cè)器的單片集成，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級(jí)設(shè)備應(yīng)用。

    清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的單目光學(xué)超表面相機(jī)，通過(guò)微納光學(xué)結(jié)構(gòu)與物理驅(qū)動(dòng)算法的協(xié)同創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的維度限制，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)單次四維成像。該技術(shù)不僅為光場(chǎng)信息獲取提供了全新范式，更推動(dòng)了成像系統(tǒng)向小型化、低功耗方向發(fā)展。隨著技術(shù)迭代與應(yīng)用拓展，超表面多維成像技術(shù)有望成為下一代智能感知系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)。