基于液晶超构表面，实现快照式多维成像

然而，在使用无序散射介质作为成像透镜之前，耗时且繁琐的表征工作是不可避免的，尤其是针对时变的散射介质。此外，由于普通无序散射介质对光场的调制能力有限，导致传统散射成像系统对波长和偏振不敏感，要同时实现偏振、波长、深度、二维空间等多维成像存在巨大的挑战。

超构表面是由微小的结构单元组成的平面结构，这些结构单元的尺寸通常在微纳米尺度，可以根据应用需求进行设计，使得它们可以按照特定的方式相互作用，从而控制电磁波的传播和散射。得益于其强大的光场调控能力，使用超构表面作为随机编码掩模，可以对入射光的偏振、波长和空间位置等信息进行编码，实现多维计算成像。尽管超构表面的设计和制造已经取得了长足的进步，然而实现高效率超构表面的批量化加工和复制仍然是本领域亟待解决的关键科学技术难题。

为解决上述问题，中国科学院光电技术研究所矢量光场研究中心团队设计了一种基于几何相位的液晶超构表面掩模。得益于超构表面先验的波前调制，其空间散射光学特性更为稳定可控，作为编码掩模可以省去费时的预表征操作。此外，利用几何相位的自旋相关调制原理、色散聚焦和散射介质记忆效应，液晶随机散射超构表面展现出对偏振，波长和深度敏感而对二维空间不敏感的散射特性，因此可以根据其点扩散函数对成像目标实现五维信息编码。最后，与介质/金属超构表面相比，液晶超构表面的制造工艺更为简单，更利于大规模加工生产，更具实用价值。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第3期。

如图1所示，该方案通过设计并且制作一个基于几何相位原理的液晶随机相位超构表面掩模，对成像目标的偏振、波长和空间位置信息进行编码，生成随上述参量变化的散斑。事先记录与成像目标具有相同偏振、波长和空间位置信息的点光源经过相同的光学系统后所形成的光斑，即对应的点扩散函数。随后，可以使用后端的反卷积算法作为解码工具，通过对散斑和点扩散函数进行反卷积恢复编码的多维信息。

图1 （a）快照式成像系统示意图, （b）不同五维信息的成像对象具有独特的点扩散函数，（c）将散斑与不同的点扩散函数反卷积，得到对应的信息，（d）将不同的信息进行组合得到完整图像

图2所示为实验过程和结果。实验中使用投影仪在不同的区域投影了两个具有不同波长的物体。随后，通过分束将投影光进行分离，并使用偏振片和不同旋转角度的四分之一波片的组合改变了分离后光的偏振状态。然后将这些光合并，并将它们投射在液晶超构表面上，以产生混叠的散斑图案。接着，在投影仪的相应位置投射一个像素，该像素具有与之前的物体相同的波长和偏振。经过相同的路径后，得到的散斑就是对应的点扩散函数。最后，使用对应的点扩散函数和散斑图进行反卷积，以获得对应物体的信息。

图2 （a）五维成像光路示意图, （b）混叠的散斑图像，（c）（d）不同的点扩散函数与散斑反卷积可以得到对应的信息

该文共同第一作者张其博士后表示：“研究结果表明这是一种经济、高效、紧凑的5D成像方法，在材料识别和分类、生物医学以及各种工业领域具有潜在的应用前景。”