一、智能感知双难题：可见光与雷达的局限

在智能设备的感知技术领域，“可见光+雷达” 的主流方案存在显著局限性。广泛应用于智能汽车、无人机的可见光摄像头，虽然成本较低，但探测距离有限。在暴雨、浓雾、沙尘等极端天气条件下，其探测距离会从正常天气的百米级骤降至几十米，导致相关设备感知能力大幅下降，成为极端天气事故高发的重要因素。而雷达虽具备穿透干扰的能力，却因依赖精密的机械扫描结构，不仅制造成本高达数万元，还容易因机械损耗出现数据波动，稳定性难以保障。科研人员尝试利用红外光在雨雾中传播距离更远的特性解决问题，然而传统红外感知模组需要独立硬件支持，高昂的成本使其难以大规模商业化应用。

超构表面技术的出现带来了新突破。在保持传统可见光模组原有硬件成本架构的前提下，它能够将有效探测距离从常规环境的百米级提升至雨雾场景下的300米以上，同时规避了雷达机械扫描结构带来的万元级成本负担与稳定性风险——这一创新技术有效解决了远距离探测与低成本之间的矛盾。

二、光学超构表面技术介绍

（一）光的振幅、相位与偏振

要理解这个技术，需先理解光作为电磁波，所具备的三个基本属性：

1.振幅：决定光的亮度，如同声音的音量，强光对应高振幅；

2.相位：描述光波的振动步调，两列波的相位差会引发干涉——比如阳光下肥皂膜的七彩条纹，正是不同路径光波相位叠加的结果；

3.偏振：光波振动的方向特性，就像人排队前进时有的 “齐步走”（线偏振）、有的 “转圈圈”（圆偏振），3D 眼镜正是利用线偏振光的方向差异分离左右眼图像。（干涉和衍射）

传统光学器件只能通过材料折射率或曲面形状，对光的相位和振幅进行有限调控，而偏振往往被忽视。但在纳米尺度，一切开始不同。

（二）从菲涅尔透镜到超构表面

19世纪诞生的菲涅尔透镜，曾被视为光学轻量化的里程碑。它巧妙地将传统凸透镜的曲面 “拆解” 为一圈圈环形凹槽，通过 “遮挡 - 透过” 的方式重组光的传播路径：让特定波带的光穿过凹槽，在焦点处形成波峰叠加（相长干涉），增强亮度；其他波带的光则因波峰与波谷相抵（相消干涉）而减弱，从而用平面结构实现了类似凸透镜的聚焦功能。

但菲涅尔透镜虽摆脱了连续曲面，却仍依赖凹槽的几何形状间接调控光程差，功能与体积优化存在瓶颈。直到科学家受费马原理启发：光在不同介质中会自动选择耗时最短的路径（例如水中筷子 “弯折”，是光在水与空气界面调整折射角以缩短光程）。传统透镜通过曲面曲率改变光程，而超构表面则在纳米尺度进行 操作：用直径仅几十纳米的人工结构（如圆柱、V 形天线）作为 “光控像素”，直接改变光的路径。每个纳米结构如同一个微型路由器，独立调控光的相位、偏振和振幅，使光无需依赖宏观曲面，即可在纳米薄膜上完成复杂的光路规划。

（三）超构表面的两大核心特性

超构表面之所以能颠覆光学规则，源于两大核心特性 ——亚波长结构和多维度调控。这两大特性就像魔法配方，让科学家能在纳米尺度 “编程” 光的行为。

1. 亚波长结构

想象你在电视看到的画面，其中每个像素只有头发丝的万分之一大小，但你无法分辨单个像素，只能看到整体图案——这就是超构表面的 “等效均匀介质” 原理。

超构表面由数百万个纳米级 “光学天线”（如圆柱、椭球、V 形结构）密集排列而成，每个单元的尺寸（几十到几百纳米）远小于可见光波长（约 500-700 纳米）。这些 “天线” 就像微型光控开关，通过精确设计它们的形状和排列，超构表面能让光误以为自己进入了一种全新的材料。例如，传统玻璃透镜需要通过材料折射来弯曲光线，而超构表面仅用纳米结构的高度变化就能实现同样效果，厚度却只有玻璃的千分之一。

图1: 扫描电子显微镜下的超构表面的侧视与俯视图[1]

2. 多维度调控

超构表面的魔法不仅在于 “伪装” 材料，更在于对光的三大属性进行同步操控：

(1) 振幅调控：通过结构设计让特定波长的光被吸收或散射，类似相机滤镜只允许特定颜色通过。例如，超构表面能 “过滤” 掉红外线，只保留可见光。

(2) 相位调控：分为两种方式：

• 传播相位：改变纳米结构的高度（如不同高度的 “台阶”），使光通过时产生光程差。这就像不同高度的楼梯会让脚步声不同步，光的波峰波谷也会因此错位。

• 几何相位：旋转各向异性结构（如倾斜的 V 形天线）的角度，利用光的偏振态变化实现额外相位调制。这类似于方向盘转向角度影响车辆轨迹，光的偏振方向变化也会改变其传播路径。

(3) 偏振调制：非对称结构对不同偏振态的光 “区别对待”。例如，螺旋形纳米天线能将线偏振光转换为圆偏振光，或根据偏振方向改变光的传播路径。

（四）超构表面的三大核心优势

这两大特性让超构表面形成了颠覆传统光学的三大优势：

1. 极致轻薄，性能等效

超构表面厚度仅约数百纳米（相当于头发丝直径的 1/100），却能实现传统厘米级玻璃透镜的聚焦、成像等核心功能。传统光学器件依赖多层曲面镜片或复杂透镜组，而超构表面通过纳米级结构直接规划光的传播路径，无需厚重材料即可完成光程差与相位调控。

2. 单层集成，一膜多能

单层超构表面可替代传统光学系统中的多个分立元件（如透镜、滤光片、偏振片），同步实现聚焦、滤波、偏振转换等多种功能。例如，一片超构表面既能像凸透镜一样汇聚光线，又能像光学滤镜一样筛选特定波长，还能像偏振片一样分离不同方向的偏振光。

3. 摆脱材料依赖，设计自由

超构表面无需依赖玻璃、晶体等天然材料的固有折射率，而是通过 “结构即材料” 的理念，利用硅、金属、塑料等常见材料的纳米结构（如柱状、V 形、螺旋形）实现光操控。这种设计模式允许科学家通过调整纳米结构的形状、尺寸和排列，实现传统材料无法完成的功能。

三、超构表面的实际应用

（一）消费电子领域的轻薄化应用

通过纳米级超构表面替代传统光学元件，可以实现电子设备的轻薄化与功能集成。这种厚度仅数百纳米的薄膜，由亚波长结构单元（如硅基纳米柱、金属天线阵列）精密排列而成，可在单层结构中同时完成光的聚焦、色散校正、偏振调控等复杂功能。相较于传统光学系统依赖多片玻璃透镜的堆叠，超构表面以 “平面化、集成化” 设计，从根本上突破了宏观光学元件的体积限制，为手机、AR/VR 等设备提供了核心技术支撑。

图片来源：apple

长期以来，消费电子的光学设计面临 “性能与体积” 的两难困境：智能手机为追求高画质，需搭载6-8片玻璃透镜，镜头模组厚度超过4毫米，不仅占用机身空间，还限制了设备的防水、续航设计；AR/VR 眼镜因需要多层透镜校正像差和扩大视场，光学模组重量普遍超过200克，导致用户佩戴时鼻梁压迫感强烈，难以长时间使用。此外，传统镜片功能单一，实现多场景适配（如夜景拍摄、3D成像）需频繁切换元件，操作复杂且成本高昂。市场对 “轻薄化、多功能化” 终端的迫切需求，推动超构表面从实验室走向消费电子的核心供应链。

超构表面的应用直接破解了传统光学的体积与功能瓶颈：在手机摄像领域，超构表面镜头通过纳米柱高度梯度设计，仅用0.7毫米厚度实现等效3片玻璃透镜的聚焦能力，为旗舰机型释放更多内部空间用于电池扩容[2]；

传统的智能手机透镜模块与超构表面透镜模块的厚度比较[2]

在 AR/VR 领域，轻量化眼镜搭载的超构表面光学模组重量降至150克以下，首次实现 “眼镜式” 佩戴体验，同时通过偏振复用技术将视场角拓展至 120°，画质清晰度大幅提升[3]。这些突破不仅重塑了设备形态，更推动消费电子从 “功能堆砌” 向 “高效集成” 转型，为可穿戴设备、折叠屏手机等新兴形态提供了无限可能。

（二）光子技术领域的基础性应用

在光子技术领域，其核心价值在于通过纳米结构的精准设计，实现对光的振幅、相位、偏振的全维度调控。作为光子计算、激光雷达（LiDAR）等技术的底层元件，超构表面可在微米级尺度上集成光信号的调制、分束、聚焦等功能，替代传统分立式光学器件，推动光信号处理系统向 “微型化、高速化、智能化” 演进。这种 “结构即功能” 的设计理念，让光芯片摆脱了对天然材料折射率的依赖，为光子技术的跨越式发展开辟了新路径。

当前，电子芯片的摩尔定律趋近极限，数据中心与人工智能领域对 “高速低耗” 计算的需求，倒逼技术向光子领域转移——光信号处理速度可达 THz 级（比电子芯片快 3 个数量级），但传统光学元件体积庞大（如光纤调制器尺寸达厘米级），难以与微电子系统集成。在环境感知领域，自动驾驶依赖的激光雷达面临机械旋转式体积大（直径 10 厘米以上）、固态式视场角窄（<90°）的缺陷，无法满足高精度、全场景的探测需求。超构表面的出现，正是为突破这些瓶颈而生——其纳米级尺寸与多功能集成能力，成为连接光子技术理论与工程应用的关键桥梁。

超构表面在光子技术中的落地，催生了两大革命性应用：

光子计算领域，超构表面芯片支持多通道光信号处理，单次矩阵运算耗时仅 1 皮秒，且能耗比电子芯片降低 90%，为实时图像识别、量子通信提供了颠覆性硬件方案。

激光雷达领域，超构表面固态 LiDAR 通过纳米天线阵列实现 150°×150° 无机械扫描视场，测距精度达2厘米，体积缩小至传统设备的十分之一，已逐步应用于自动驾驶车型[4][5]，推动车规级激光雷达从 “昂贵外设” 变为 “标准配置”。这些进展标志着光子技术从 “实验室演示” 迈向 “产业落地”，超构表面则成为支撑这一进程的核心基础设施。

图为三维广角成像测试结果。此场景中，身穿反光服人员在不同位置的动作被准确探测[4]

（三）交通与汽车工业领域的应用

超构表面技术在交通与汽车工业中的应用，其核心在于通过精密的亚波长结构设计实现光学隐身效果。这种技术利用纳米级无序翻转单元结构，将入射光转化为特定的背向散射模式，使玻璃表面呈现出哑光外观从而消除镜面反射，同时保持透射光路的完整性，实现了"看得见外面却看不见反射"的隐身特性。这种独特的光学调控能力，使得汽车玻璃既能隐藏自身的光学特征，又能维持清晰的透光视野，为车辆提供了类似"光学迷彩"的隐身功能。

传统汽车玻璃面临着光学隐身与视觉功能难以兼顾的困境。普通玻璃的强镜面反射不仅会产生干扰驾驶的眩光，更会在阳光下暴露车辆位置；而采用毛玻璃等粗糙化处理虽然能减弱反射，却会导致透光模糊，牺牲了行车安全必需的视野清晰度。这种矛盾严重制约了汽车在隐私保护、安全设计和美学创新等方面的发展，特别是在需要兼顾隐身性和功能性的高端车型和特种车辆上表现得尤为突出。

超构表面技术为汽车工业带来了革命性的隐身解决方案：通过精确控制光传播路径，实现了外部观察者难以察觉的车窗隐身效果，同时保证车内人员的正常视野；其哑光金属质感的外观设计不仅赋予车辆未来感十足的视觉隐身效果，还能有效降低雷达散射截面，提升车辆的隐蔽性；更重要的是，这项技术为智能车窗的进一步发展奠定了基础，包括可动态调节的隐身模式、AR导航投影等创新功能，将汽车玻璃从单纯的透光材料转变为具有主动隐身能力的智能光学界面。

看似粗糙墙面的透明玻璃--基于哑光透明超表面的伪装拍摄景象[6]

四、结语：纳米尺度上的光控未来

从手机摄像头的 “瘦身” 到汽车制造工业的 “隐身”，光学超构表面正以颠覆性的纳米工程，重构人类操控光的方式。随着材料制备技术的成熟和成本的下降，这场始于实验室的 “光控革命”，正在加速渗透进消费电子、光子芯片、汽车工业等领域。当光的操控不再受限于宏观尺度的材料与形状，当 “结构即功能” 成为新的光学设计语言，我们正站在一个光学技术民主化的起点 —— 未来，或许只需一张纳米薄膜，就能实现对光的任意 “编程”，让光学设备真正融入超薄、智能、集成的新时代。

五、引用

[1] 澎湃：超构表面：让光学镜头薄如蝉翼|https://m.thepaper.cn/baijiahao_8328549

[2] 搜狐：超薄时代来临 | 用于摄像头的超构表面折叠透镜系统带来光学革命 |https://www.sohu.com/a/836673182_121798711

[3] 网易： 美国AWE直击 | 怎样实现120度大视角超薄AR光学？|https://m.163.com/dy/article/I68IFANC0511A3UP.html

[4] 微信公众号：Favorite的光学世界|超表面 X LiDAR：更快更好|https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzMzI4NTMwOA==&mid=2247484792&idx=1&sn=8a68a88617a8c852741f9cf346b11702&chksm=c32233ec2225fcf94a6b1557d2c6683b459b28a366b4d0d099e0618d3f4a30373c701be4f431#rd

[5] 中国科学院知识服务平台：长城汽车的Ibeo固态LiDAR系统中使用了ams的VCSEL|https://www.las.ac.cn/front/product/detail?id=b9a40f2dad883148fe952ca85cbf3214

[6]微信公众号：南京大学|《哈利·波特》里的“隐身斗篷”何以成为现实？来看南大团队的研究成果|https://mp.weixin.qq.com/s/gXoKmVYaqMGHcwrw3vbvLw