撰稿| 由课题组供稿
导读
近日，哈尔滨工业大学祁嘉然课题组与芬兰Aalto大学Ari Sihvola教授合作在《Advanced Optical Materials》上发表23页长文综述文章“Meta‐Imaging: from Non‐Computational to Computational”[1]，以一个全新的视角系统性的综述了过去20年中利用超构材料和超构表面实现成像的研究进展。本文的通信作者为哈尔滨工业大学电信学院副教授祁嘉然，第一作者为课题组博士研究生李文志。
好奇心促使人类开发各种各样的工具去探索这个世界。成像设备是这其中最重要的工具之一。对于微观世界的好奇，促使人们发明了显微镜；对于外太空的好奇，促使人们发明了望远镜。然而，传统的成像设备往往受到体积庞大、笨重、存在衍射极限等因素的影响，极大地限制了人类探索世界的步伐，且不满足现代设备的小型化和易于集成的需求。超构材料和超构表面作为一种具有亚波长调控电磁波/光波能力的新兴材料，无疑成为了克服上述传统成像设备/系统缺点的绝佳候选者。
在这篇综述中，作者将过去20年中利用超构材料和超构表面实现成像的研究进展分成了两类：非计算成像和计算成像，如图1所示。非计算成像是一种所见即所得的成像范式，即测量设备的测量值本身就能够直接表示待成像场景/物体。我们日常使用的照相机就是一个典型的非计算成像的例子——照相机的每一个像素和场景/物体上的每一个点都一一对应。然而，在计算成像中，测量设备的测量值和待成像场景/物体之间一般不存在一一对应的关系。我们需要对测量数据做进一步处理才能够得到场景/物体的像。相比于非计算成像，计算成像得益于强大的预处理和后处理过程，不仅能够获取场景/物体的像，还能够提取包括场景/物体深度、偏振等信息，这是一般的非计算成像难以实现的。在下文中，我们将基于超构材料和超构表面的成像简称为超构成像。
非计算超构成像
在这一部分中，作者讨论了两类非计算超构成像系统：
第一类是基于倏逝波收集透镜的成像系统：物体表面的倏逝波携带者物体的亚波长信息，然而倏逝波的指数衰减特性使得传统的成像系统难以获取这部分亚波长信息，即所谓的衍射极限。倏逝波收集透镜则能够将倏逝波放大，甚至是转化为远场辐射，从而实现亚衍射极限成像。倏逝波收集透镜主要包括完美透镜（perfect lens）、超透镜（superlens）、双曲透镜（hyperlens）等。
图1. 非计算成像和计算成像。a) 非计算成像（红色虚线框）和计算成像（蓝色虚线框）对比图；b) 超构成像一览图。
第二类是基于聚焦超构透镜的成像系统：顾名思义，聚焦超构透镜是一类能够实现聚焦的超构透镜，包括体型超构透镜和平面超构透镜。前者是一类基于超构材料的透镜，能够实现亚衍射极限的聚焦；后者是一类基于超构表面的透镜，相比于前者，更为轻、薄和低损耗。因此，平面超构材料更为受到广大研究者的关注。
图2是作者所在课题组设计的基于平面超构透镜的被动毫米波(PMMW)成像系统。我们知道，所有物体都往外辐射电磁波，而不同物体的辐射特性一般不同。PMMW成像系统依照这一原理来实现被动接收物体的辐射，然后通过不同物体的辐射对比来实现成像。图2所示的PMMW成像系统工作于Ka波段，由辐射计、增益喇叭和一个平面超构透镜组成，具有较之于传统PMMW成像体统更小的体积和重量。
图2. PMMW成像系统及其实验结果。
作者还讲述了利用单个平面超构透镜实现像差的消除，这包括色像差和单色像差的消除，采用了方法有：多谐振单元、色散-结构互补、空间复用、单元堆叠等。此外，作者也讨论一类不需要倏逝波的超分辨平面超构透镜成像方案——超震荡(superoscillation)平面超构透镜。
计算超构成像
本篇综述与其它综述最大的不同就是提供了计算超构成像的视角。非计算成像器件的设计过程往往相互独立。与非计算成像相反，计算成像往往是系统性的综合电磁/光学器件和信号处理模块等，系统的各个组件之间是联合设计和优化的。此外，计算成像系统还会包含预处理或后处理，这是前述的非计算成像系统所不具备的。本质上而言，计算成像就是将硬件的负担转移到软件上，借助于现代计算机强大的软件性能，实现较于非计算成像相同甚至是更好的成像效果。
计算成像系统之所以获得广泛的研究，是因为在实际中部署成像系统往往会有很多的条件限制，例如系统的重量、大小、成本等，使得我们不得不使用计算成像系统。此外，计算成像系统还能够相对容易地获取场景/物体的偏振、深度等非计算成像难以获取的信息。一个计算成像系统的典型例子就是合成孔径雷达成像(SAR)，特别是当我们将SAR部署到飞机或卫星上（使用米量级的天线来实现数千米等效孔径，以得到高分辨的全天候成像能力），这些限制条件尤为显著。
作者主要介绍了三种计算成像方法，分别是波恩近似(Born Approximation)、合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)和鬼成像(Ghost Imaging)，分别如图3 a)、b)和c)所示。
图3. 三种计算成像系统。a) 波恩近似[2]；b) 合成孔径雷达；c) 鬼成像[3]。
此外，为了拓展读者的阅读范围，综述的作者还介绍了扩散成像(Diffuser Imaging)、任意设计PSF的成像(PSF-Designer Imaging)、色散傅里叶成像(Dispersive Fourier Imaging)、光场成像(Light-Field Imaging)等成方法。
作者从非计算和计算成像的视角对超构成像进行了综述。超构材料/超构表面提供了一个具有亚波长调控能力的平台，使得设计成像系统具有更大的灵活性和自由度。非计算超构成像和计算超构成像范式为人们设计和制造成像系统提供了一种新的思路，展示了其在纷繁复杂的现实应用场景中的巨大潜力，使我们相信其在下一代成像系统中将发挥巨大作用。
文章链接
[1] Li, W., Qi, J., Sihvola, A., Meta‐Imaging: from Non‐Computational to Computational. Adv. Optical Mater. 2020, 2001000.
https://doi.org/10.1002/adom.202001000
[2] Gollub J N , Yurduseven O , Trofatter K P , et al. Large Metasurface Aperture for Millimeter Wave Computational Imaging at the Human-Scale[J]. entific Reports, 2017, 7:42650.
[3] Diebold A V , Imani M F , Sleasman T , et al. Phaseless coherent and incoherent microwave ghost imaging with dynamic metasurface apertures[J]. Optica, 2018, 5(12):1529.
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