紧凑型折超混合成像系统的原理及应用

马奥琦，王涌天，黄玲玲（北京理工大学光电学院北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心）

摘要 ：系统综述了折射-超构表面混合（简称为折超混合）光学系统的设计原理、关键技术及应用进展，旨在应对传统折射系统在微型化与高性能成像间的固有矛盾。超构表面作为平面光子学的核心，能够通过亚波长结构精准调控光波前，但其独立成像时仍面临像差与效率、带宽与孔径间的权衡限制。通过与传统折射透镜协同集成，折超混合系统有效结合了折射元件的光焦度优势与超构表面的波前校正及负色散能力，为实现高性能紧凑成像提供了关键技术路径。首先，阐述了超构表面的传播相位、几何相位、共振相位和拓扑相位等调控机制，以及正向和逆向设计方法；接着，深入剖析了折超混合系统在色差、单色像差及热像差校正方面的技术体系，以及端到端优化等智能设计策略；最后，展示了该系统在生物医学内窥镜成像、红外探测及微型化便携设备等领域的典型应用。研究结果表明，尽管该技术已在原理验证中展现出显著优势，但其实际应用仍面临性能极限与制造工艺等挑战，未来需在新型物理机制、协同优化框架及半导体兼容工艺等方面持续突破，以推动其在智能感知、精准医疗等领域的广泛应用。

关键词：折超混合系统；超构表面；像差校正；平面光子学