超构表面在三维成像与显示技术中的应用

池汉彬; 段辉高; 胡跃强

doi:10.37188/OPE.20223015.1775

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超构表面在三维成像与显示技术中的应用

平面光学元件的设计、制造及应用 | 更新时间：2022-08-16

- 超构表面在三维成像与显示技术中的应用
- Application of metasurfaces in three-dimensonal imaging and display
- 光学精密工程 2022年30卷第15期页码：1775-1801
- 作者机构：
  
  1.湖南大学机械与运载工程学院国家高效磨削工程技术中心，湖南长沙 410082
  2.湖南大学深圳研究院微纳光学器件先进制造实验室，广东深圳 518000
  3.湖南大学粤港澳大湾区创新研究院，广东广州 511300
- 作者简介：
  
  [ "池汉彬（1999-），男，广东汕头人，硕士研究生，2021年于长沙理工大学获得学士学位，主要从事微纳制造、微纳光学和超构表面成像方面的研究。E-mail： hanbinchi@hnu.edu.cn" ]
  [ "胡跃强（1992-），男，安徽合肥人，博士，副教授，博士生导师，2013年于西南交通大学获得学士学位，2018年于清华大学获得博士学位，主要从事微纳加工、微纳光学和表界面力学等方面的研究。E-mail： huyq@hnu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52005175;5211101255);湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ5059);深圳市优秀科技创新人才培养项目(RCBS20200714114855118);摩擦学国家重点实验室摩擦学科学基金资助项目(SKLTKF20B04)
- DOI：10.37188/OPE.20223015.1775
  中图分类号： TB34;TP391.41
- 收稿日期：2022-04-08，
  
  修回日期：2022-04-29，
  
  纸质出版日期：2022-08-10
- 稿件说明：
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池汉彬,段辉高,胡跃强.超构表面在三维成像与显示技术中的应用[J].光学精密工程,2022,30(15):1775-1801.

CHI Hanbin,DUAN Huigao,HU Yueqiang.Application of metasurfaces in three-dimensonal imaging and display[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1775-1801.
池汉彬,段辉高,胡跃强.超构表面在三维成像与显示技术中的应用[J].光学精密工程,2022,30(15):1775-1801. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1775.

CHI Hanbin,DUAN Huigao,HU Yueqiang.Application of metasurfaces in three-dimensonal imaging and display[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(15):1775-1801. DOI： 10.37188/OPE.20223015.1775.

摘要

三维成像与显示技术能获取并保存物体的空间三维信息并呈现出立体逼真的画面，在消费电子、自动驾驶、机器人视觉以及增强现实及虚拟现实等领域有广阔的应用前景。现有的三维成像与显示设备受到传统光学元件性能缺陷的限制，难以同时满足宽视场、大数值孔径、高分辨率、连续视差和小型化等性能要求。超构表面作为亚波长结构单元排布组成的新型平面光学元件，能对光场进行灵活调控，具有多功能、易集成、轻薄化和紧凑化的优势，有望突破传统光学元件的瓶颈，为实现多功能紧凑型的三维成像与显示设备提供可能。本文综述了超构表面在三维成像与显示技术中的研究进展，详细介绍了超构表面在主动式和被动式的三维成像技术，以及全息显示、光场显示和近眼显示的三维显示技术中的应用和表现，最后总结和展望了超构表面在三维成像与显示领域的挑战和未来发展方向。

Abstract

Three-dimensional （3D） imaging and display technology can obtain and save the three-dimensional information of objects and present stereoscopic realistic pictures. It has broad application prospects in consumer electronics， autonomous driving， robot vision， and augmented reality/virtual reality （AR/VR）. The existing three-dimensional imaging and display devices are limited by the performance defects of traditional optical elements， and it is difficult to simultaneously meet the performance requirements of wide field of view， large numerical aperture， high resolution， continuous parallax and miniaturization， etc. As a new type of planar optical element composed of subwavelength structural unit， metasurfaces can flexibly control the light field， and have the advantage of easy integration， thinness， and compactness. It is expected to break through the bottleneck of traditional optical elements and provide the possibility for realizing multi-functional compact three-dimensional imaging and display equipment. Herein， we review the research progress of metasurfaces in three-dimensional imaging and display technology. The application and performance of metasurfaces in active and passive three-dimensional imaging technologies and three-dimensional display technologies such as holographic display， light field display， and near-eye display are discussed in detail. Finally， the challenges and future development directions of metasurfaces in the field of three-dimensional imaging and display are summarized and prospected.

关键词

Keywords

references

UDUPA J K H G T ， UDUPA J K ， HERMAN G T . 3 D Imaging in Medicine ［M］. Boca Raton ： CRC Press ， 1999 .

HOLLIMAN N . 3D display systems ［J］. To Appear ， 2005 ： 7503 .

GENG J . Structured-light 3D surface imaging： a tutorial ［J］. Advances in Optics and Photonics ， 2011 ， 3 （ 2 ）： 128 - 160 . doi: 10.1364/aop.3.000128 http://dx.doi.org/10.1364/aop.3.000128

REMONDINO F ， STOPPA D . T OF Range-Imaging Cameras ：［M］. Springer ， 2013 .

HILLENBRAND M ， LORENZ L ， KLEINDIENST R ， et al . Spectrally multiplexed chromatic confocal multipoint sensing ［J］. Optics Letters ， 2013 ， 38 （ 22 ）： 4694 - 4697 . doi: 10.1364/ol.38.004694 http://dx.doi.org/10.1364/ol.38.004694

PÉGARD N C ， LIU H Y ， ANTIPA N ， et al . Compressive light-field microscopy for 3D neural activity recording ［J］. Optica ， 2016 ， 3 （ 5 ）： 517 - 524 . doi: 10.1364/optica.3.000517 http://dx.doi.org/10.1364/optica.3.000517

ZHU H ， WANG Q ， YU J Y . Light field imaging： models， calibrations， reconstructions， and applications ［J］. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering ， 2017 ， 18 （ 9 ）： 1236 - 1249 . doi: 10.1631/fitee.1601727 http://dx.doi.org/10.1631/fitee.1601727

LUMSDAINE A ， GEORGIEV T . The focused plenoptic camera ［C］. 2009 IEEE International Conference on Computational Photography （ICCP）. April 16 - 17 ， 2009 . San Francisco， CA， USA. IEEE ， 2009 . doi: 10.1109/iccphot.2009.5559008 http://dx.doi.org/10.1109/iccphot.2009.5559008

LUMSDAINE A ， GEORGIEV T . Full resolution lightfield rendering ［R］. Indiana University and Adobe Systems ， 2008 ，91： 92 .

TROUVÉ-PELOUX P ， CHAMPAGNAT F ， LE BESNERAIS G ， et al . Theoretical performance model for single image depth from defocus ［J］. Journal of the Optical Society of America A， Optics， Image Science， and Vision ， 2014 ， 31 （ 12 ）： 2650 - 2662 . doi: 10.1364/josaa.31.002650 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.31.002650

KUMAR H ， YADAV A S ， GUPTA S ， et al . Depth map estimation using defocus and motion cues ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology ， 2019 ， 29 （ 5 ）： 1365 - 1379 . doi: 10.1109/tcsvt.2018.2832086 http://dx.doi.org/10.1109/tcsvt.2018.2832086

WATANABE M ， NAYAR S K . Rational filters for passive depth from defocus ［J］. International Journal of Computer Vision ， 1998 ， 27 （ 3 ）： 203 - 225 . doi: 10.1023/a:1007905828438 http://dx.doi.org/10.1023/a:1007905828438

SHECHTMAN Y ， SAHL S J ， BACKER A S ， et al . Optimal point spread function design for 3D imaging ［J］. Physical Review Letters ， 2014 ， 113 （ 13 ）： 133902 . doi: 10.1103/physrevlett.113.133902 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.113.133902

ZHANG A Q ， WANG J H ， ZHOU Y G ， et al . Illumination optics in emerging naked-eye 3d display （invited review）［J］. Progress in Electromagnetics Research ， 2017 ， 159 ： 93 - 124 . doi: 10.2528/pier17060101 http://dx.doi.org/10.2528/pier17060101

ZHAN T ， YIN K ， XIONG J H ， et al . Augmented reality and virtual reality displays： perspectives and challenges ［J］. iScience ， 2020 ， 23 （ 8 ）： 101397 . doi: 10.1016/j.isci.2020.101397 http://dx.doi.org/10.1016/j.isci.2020.101397

CAKMAKCI O ， ROLLAND J . Head-worn displays： a review ［J］. Journal of Display Technology ， 2006 ， 2 （ 3 ）： 199 - 216 . doi: 10.1109/jdt.2006.879846 http://dx.doi.org/10.1109/jdt.2006.879846

TAY S ， BLANCHE P A ， VOORAKARANAM R ， et al . An updatable holographic three-dimensional display ［J］. Nature ， 2008 ， 451 （ 7179 ）： 694 - 698 . doi: 10.1038/nature06596 http://dx.doi.org/10.1038/nature06596

BLANCHE P A ， BABLUMIAN A ， VOORAKARANAM R ， et al . Holographic three-dimensional telepresence using large-area photorefractive polymer ［J］. Nature ， 2010 ， 468 （ 7320 ）： 80 - 83 . doi: 10.1038/nature09521 http://dx.doi.org/10.1038/nature09521

PARK J H ， HONG K ， LEE B . Recent progress in three-dimensional information processing based on integral imaging ［J］. Applied Optics ， 2009 ， 48 （ 34 ）： H77 - H94 . doi: 10.1364/ao.48.000h77 http://dx.doi.org/10.1364/ao.48.000h77

BONZOM V ， DITTRICH B . 3D holography： from discretum to continuum ［J］. Journal of High Energy Physics ， 2016 ， 2016 （ 3 ）： 208 . doi: 10.1007/jhep03(2016)208 http://dx.doi.org/10.1007/jhep03(2016)208

KIM I ， MARTINS R J ， JANG J ， et al . Nanophotonics for light detection and ranging technology ［J］. Nature Nanotechnology ， 2021 ， 16 （ 5 ）： 508 - 524 . doi: 10.1038/s41565-021-00895-3 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-021-00895-3

YU N F ， GENEVET P ， KATS M A ， et al . Light propagation with phase discontinuities： generalized laws of reflection and refraction ［J］. Science ， 2011 ， 334 （ 6054 ）： 333 - 337 . doi: 10.1126/science.1210713 http://dx.doi.org/10.1126/science.1210713

KILDISHEV A V ， BOLTASSEVA A ， SHALAEV V M . Planar photonics with metasurfaces ［J］. Science ， 2013 ， 339 （ 6125 ）： 1232009 . doi: 10.1126/science.1232009 http://dx.doi.org/10.1126/science.1232009

YU N F ， CAPASSO F . Flat optics with designer metasurfaces ［J］. Nature Materials ， 2014 ， 13 （ 2 ）： 139 - 150 . doi: 10.1038/nmat3839 http://dx.doi.org/10.1038/nmat3839

LIN D M ， FAN P Y ， HASMAN E ， et al . Dielectric gradient metasurface optical elements ［J］. Science ， 2014 ， 345 （ 6194 ）： 298 - 302 . doi: 10.1126/science.1253213 http://dx.doi.org/10.1126/science.1253213

AIETA F ， GENEVET P ， KATS M A ， et al . Aberration-free ultrathin flat lenses and axicons at telecom wavelengths based on plasmonic metasurfaces ［J］. Nano Letters ， 2012 ， 12 （ 9 ）： 4932 - 4936 . doi: 10.1021/nl302516v http://dx.doi.org/10.1021/nl302516v

KRUK S ， HOPKINS B ， KRAVCHENKO I I ， et al . Invited Article： Broadband highly efficient dielectric metadevices for polarization control ［J］. APL Photonics ， 2016 ， 1 （ 3 ）： 030801 . doi: 10.1063/1.4949007 http://dx.doi.org/10.1063/1.4949007

XU Z T ， HUANG L L ， LI X W ， et al . Quantitatively correlated amplitude holography based on photon sieves ［J］. Advanced Optical Materials ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 1901169 . doi: 10.1002/adom.201901169 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201901169

LI J ， ZHANG Y T ， LI J N ， et al . Amplitude modulation of anomalously reflected terahertz beams using all-optical active Pancharatnam-Berry coding metasurfaces ［J］. Nanoscale ， 2019 ， 11 （ 12 ）： 5746 - 5753 . doi: 10.1039/c9nr00675c http://dx.doi.org/10.1039/c9nr00675c

HUANG L L ， CHEN X Z ， MÜHLENBERND H ， et al . Dispersionless phase discontinuities for controlling light propagation ［J］. Nano Letters ， 2012 ， 12 （ 11 ）： 5750 - 5755 . doi: 10.1021/nl303031j http://dx.doi.org/10.1021/nl303031j

DECKER M ， STAUDE I ， FALKNER M ， et al . High-efficiency dielectric Huygens’ surfaces ［J］. Advanced Optical Materials ， 2015 ， 3 （ 6 ）： 813 - 820 . doi: 10.1002/adom.201400584 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201400584

LI G X ， CHEN S M ， PHOLCHAI N ， et al . Continuous control of the nonlinearity phase for harmonic generations ［J］. Nature Materials ， 2015 ， 14 （ 6 ）： 607 - 612 . doi: 10.1038/nmat4267 http://dx.doi.org/10.1038/nmat4267

ZHENG G X ， MÜHLENBERND H ， KENNEY M ， et al . Metasurface holograms reaching 80% efficiency ［J］. Nature Nanotechnology ， 2015 ， 10 （ 4 ）： 308 - 312 . doi: 10.1038/nnano.2015.2 http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.2

HUANG L L ， MÜHLENBERND H ， LI X W ， et al . Broadband hybrid holographic multiplexing with geometric metasurfaces ［J］. Advanced Materials ， 2015 ， 27 （ 41 ）： 6444 - 6449 . doi: 10.1002/adma.201502541 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201502541

WEI Q ， HUANG L ， LI X ， et al . Broadband multiplane holography based on plasmonic metasurface ［J］. Advanced Optical Materials ， 2017 ， 5 （ 18 ）： 1700434 . doi: 10.1002/adom.201700434 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201700434

KHORASANINEJAD M ， CHEN W T ， DEVLIN R C ， et al . Metalenses at visible wavelengths： Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging ［J］. Science ， 2016 ， 352 （ 6290 ）： 1190 - 1194 . doi: 10.1126/science.aaf6644 http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf6644

CHEN X Z ， HUANG L L ， MÜHLENBERND H ， et al . Dual-polarity plasmonic metalens for visible light ［J］. Nature Communications ， 2012 ， 3 ： 1198 . doi: 10.1038/ncomms2207 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms2207

CHEN W T ， ZHU A Y ， SANJEEV V ， et al . A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible ［J］. Nature Nanotechnology ， 2018 ， 13 （ 3 ）： 220 - 226 . doi: 10.1038/s41565-017-0034-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-017-0034-6

WANG S M ， WU P C ， SU V C ， et al . A broadband achromatic metalens in the visible ［J］. Nature Nanotechnology ， 2018 ， 13 （ 3 ）： 227 - 232 . doi: 10.1038/s41565-017-0052-4 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-017-0052-4

YUE F Y ， WEN D D ， XIN J T ， et al . Vector vortex beam generation with a single plasmonic metasurface ［J］. ACS Photonics ， 2016 ， 3 （ 9 ）： 1558 - 1563 . doi: 10.1021/acsphotonics.6b00392 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00392

CHEN W T ， KHORASANINEJAD M ， ZHU A Y ， et al . Generation of wavelength-independent subwavelength Bessel beams using metasurfaces ［J］. Light： Science & Applications ， 2017 ， 6 （ 5 ）： e16259 . doi: 10.1038/lsa.2016.259 http://dx.doi.org/10.1038/lsa.2016.259

SONG X ， HUANG L L ， SUN L ， et al . Near-field plasmonic beam engineering with complex amplitude modulation based on metasurface ［J］. Applied Physics Letters ， 2018 ， 112 （ 7 ）： 073104 . doi: 10.1063/1.5013327 http://dx.doi.org/10.1063/1.5013327

LIN Z M ， LI X W ， ZHAO R Z ， et al . High-efficiency Bessel beam array generation by Huygens metasurfaces ［J］. Nanophotonics ， 2019 ， 8 （ 6 ）： 1079 - 1085 . doi: 10.1515/nanoph-2019-0085 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2019-0085

WANG D Y ， LIU F F ， LIU T ， et al . Efficient generation of complex vectorial optical fields with metasurfaces ［J］. Light： Science & Applications ， 2021 ， 10 ： 67 . doi: 10.1038/s41377-021-00504-x http://dx.doi.org/10.1038/s41377-021-00504-x

YANG Y M ， WANG W Y ， BOULESBAA A ， et al . Nonlinear fano-resonant dielectric metasurfaces ［J］. Nano Letters ， 2015 ， 15 （ 11 ）： 7388 - 7393 . doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02802 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02802

CAMACHO-MORALES R ， RAHMANI M ， KRUK S ， et al . Nonlinear generation of vector beams from AlGaAs nanoantennas ［J］. Nano Letters ， 2016 ， 16 （ 11 ）： 7191 - 7197 . doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03525 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03525

KOSHELEV K ， TANG Y T ， LI K ， et al . Nonlinear metasurfaces governed by bound states in the continuum ［J］. ACS Photonics ， 2019 ， 6 （ 7 ）： 1639 - 1644 . doi: 10.1021/acsphotonics.9b00700 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00700

KUROIWA Y ， TAKESHIMA N ， NARITA Y ， et al . Arbitrary micropatterning method in femtosecond laser microprocessing using diffractive optical elements ［J］. Optics Express ， 2004 ， 12 （ 9 ）： 1908 - 1915 . doi: 10.1364/opex.12.001908 http://dx.doi.org/10.1364/opex.12.001908

NI Y B ， CHEN S ， WANG Y J ， et al . Metasurface for structured light projection over 120° field of view ［J］. Nano Letters ， 2020 ， 20 （ 9 ）： 6719 - 6724 . doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02586 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02586

LI Z L ， DAI Q ， MEHMOOD M Q ， et al . Full-space cloud of random points with a scrambling metasurface ［J］. Light： Science & Applications ， 2018 ， 7 ： 63 . doi: 10.1038/s41377-018-0064-3 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-018-0064-3

SONG X ， HUANG L L ， TANG C C ， et al . Selective diffraction with complex amplitude modulation by dielectric metasurfaces ［J］. Advanced Optical Materials ， 2018 ， 6 （ 4 ）： 1701181 . doi: 10.1002/adom.201701181 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201701181

LI N X ， FU Y H ， DONG Y ， et al . Large-area pixelated metasurface beam deflector on a 12-inch glass wafer for random point generation ［J］. Nanophotonics ， 2019 ， 8 （ 10 ）： 1855 - 1861 . doi: 10.1515/nanoph-2019-0208 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2019-0208

XIE Y Y ， NI P N ， WANG Q H ， et al . Metasurface-integrated vertical cavity surface-emitting lasers for programmable directional lasing emissions ［J］. Nature Nanotechnology ， 2020 ， 15 （ 2 ）： 125 - 130 . doi: 10.1038/s41565-019-0611-y http://dx.doi.org/10.1038/s41565-019-0611-y

WANG QIU-HUA ， NI PEI‐NAN ， XIE YI‐YANG ， et al . On‐chip generation of structured light based on metasurface optoelectronic integration ［J］. Laser & Photonics Reviews ， 2021 ， 15 （ 3 ）： 2000385 . doi: 10.1002/lpor.202000385 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202000385

WANG Y S ， WEINACKER H ， KOCH B . A lidar point cloud based procedure for vertical canopy structure analysis and 3D single tree modelling in forest ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2008 ， 8 （ 6 ）： 3938 - 3951 . doi: 10.3390/s8063938 http://dx.doi.org/10.3390/s8063938

HUANG Y W ， LEE H W H ， SOKHOYAN R ， et al . Gate-tunable conducting oxide metasurfaces ［J］. Nano Letters ， 2016 ， 16 （ 9 ）： 5319 - 5325 . doi: 10.1021/acs.nanolett.6b00555 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00555

KAFAIE SHIRMANESH G ， SOKHOYAN R ， PALA R A ， et al . Dual-gated active metasurface at 1550 nm with wide （>300°） phase tunability ［J］. Nano Letters ， 2018 ， 18 （ 5 ）： 2957 - 2963 . doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00351 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00351

KIM S I ， PARK J ， JEONG B G ， et al . Electrically reconfigurable active metasurface for 3D distance ranging ［C］. 2020 IEEE International Electron Devices Meeting . San Francisco， CA， USA . IEEE ， 2020 ： 7.1. 1 - 7 .1.4. doi: 10.1109/iedm13553.2020.9372059 http://dx.doi.org/10.1109/iedm13553.2020.9372059

PARK J ， JEONG B G ， KIM S I ， et al . All-solid-state spatial light modulator with independent phase and amplitude control for three-dimensional LiDAR applications ［J］. Nature Nanotechnology ， 2021 ， 16 （ 1 ）： 69 - 76 . doi: 10.1038/s41565-020-00787-y http://dx.doi.org/10.1038/s41565-020-00787-y

LEE J ， JUNG S ， CHEN P Y ， et al . Ultrafast electrically tunable polaritonic metasurfaces ［J］. Advanced Optical Materials ， 2014 ， 2 （ 11 ）： 1057 - 1063 . doi: 10.1002/adom.201400185 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201400185

WU P C ， PALA R A ， KAFAIE SHIRMANESH G ， et al . Dynamic beam steering with all-dielectric electro-optic III~V multiple-quantum-well metasurfaces ［J］. Nature Communications ， 2019 ， 10 ： 3654 . doi: 10.1038/s41467-019-11598-8 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-11598-8

KHAIDAROV E ， LIU Z T ， PANIAGUA‐DOMÍNGUEZ R ， et al . Control of LED emission with functional dielectric metasurfaces ［J］. Laser & Photonics Reviews ， 2020 ， 14 （ 1 ）： 1900235 . doi: 10.1002/lpor.201900235 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201900235

DECRESCENT R A ， IYER P P ， MOHTASHAMI Y ， et al . Unidirectional luminescence from InGaN/GaN quantum-well metasurfaces ［J］. Nature Photonics ， 2020 ， 14 （ 9 ）： 543 - 548 . doi: 10.1038/s41566-020-0641-x http://dx.doi.org/10.1038/s41566-020-0641-x

ARBABI E ， ARBABI A ， KAMALI S M ， et al . MEMS-tunable dielectric metasurface lens ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 （ 1 ）： SF1J. 2 . doi: 10.1038/s41467-018-03155-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-03155-6

HOLSTEEN A L ， CIHAN A F ， BRONGERSMA M L . Temporal color mixing and dynamic beam shaping with silicon metasurfaces ［J］. Science ， 2019 ， 365 （ 6450 ）： 257 - 260 . doi: 10.1126/science.aax5961 http://dx.doi.org/10.1126/science.aax5961

WATSON E A . Analysis of beam steering with decentered microlens arrays ［J］. Optical Engineering ， 1993 ， 32 （ 11 ）： 2665 . doi: 10.1117/12.148100 http://dx.doi.org/10.1117/12.148100

CHEN R ， SHAO Y F ， ZHOU Y ， et al . A semisolid micromechanical beam steering system based on micrometa-lens arrays ［J］. Nano Letters ， 2022 ， 22 （ 4 ）： 1595 - 1603 . doi: 10.1021/acs.nanolett.1c04493 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04493

YIN X H ， STEINLE T ， HUANG L L ， et al . Beam switching and bifocal zoom lensing using active plasmonic metasurfaces ［J］. Light： Science & Applications ， 2017 ， 6 （ 7 ）： e17016 . doi: 10.1038/lsa.2017.16 http://dx.doi.org/10.1038/lsa.2017.16

LI S Q ， XU X W ， MARUTHIYODAN VEETIL R ， et al . Phase-only transmissive spatial light modulator based on tunable dielectric metasurface ［J］. Science ， 2019 ， 364 （ 6445 ）： 1087 - 1090 . doi: 10.1126/science.aaw6747 http://dx.doi.org/10.1126/science.aaw6747

CHEN C ， SONG W G ， CHEN J W ， et al . Spectral tomographic imaging with aplanatic metalens ［J］. Light： Science & Applications ， 2019 ， 8 ： 99 . doi: 10.1038/s41377-019-0208-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-019-0208-0

EDREI E ， WEISS A ， ENGELBERG J ， et al . Spectrally gated microscopy （SGM） with meta optics for parallel three-dimensional imaging ［J］. ACS Nano ， 2021 ， 15 （ 11 ）： 17375 - 17383 . doi: 10.1021/acsnano.1c06646 http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.1c06646

STEPHENS D J ， ALLAN V J . Light microscopy techniques for live cell imaging ［J］. Science ， 2003 ， 300 （ 5616 ）： 82 - 86 . doi: 10.1126/science.1082160 http://dx.doi.org/10.1126/science.1082160

DENK W ， STRICKLER J H ， WEBB W W . Two-photon laser scanning fluorescence microscopy ［J］. Science ， 1990 ， 248 （ 4951 ）： 73 - 76 . doi: 10.1126/science.2321027 http://dx.doi.org/10.1126/science.2321027

HUANG D ， SWANSON E A ， LIN C P ， et al . Optical coherence tomography ［J］. Science ， 1991 ， 254 （ 5035 ）： 1178 - 1181 . doi: 10.1126/science.1957169 http://dx.doi.org/10.1126/science.1957169

PAHLEVANINEZHAD M ， HUANG Y W ， PAHLEVANI M ， et al . Metasurface-based bijective illumination collection imaging provides high-resolution tomography in three dimensions ［J］. Nature Photonics ， 2022 ， 16 （ 3 ）： 203 - 211 . doi: 10.1038/s41566-022-00956-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-022-00956-6

ENGELBERG J ， LEVY U . Achromatic flat lens performance limits ［J］. Optica ， 2021 ， 8 （ 6 ）： 834 . doi: 10.1364/optica.422843 http://dx.doi.org/10.1364/optica.422843

LIN R J ， SU V C ， WANG S M ， et al . Achromatic metalens array for full-colour light-field imaging ［J］. Nature Nanotechnology ， 2019 ， 14 （ 3 ）： 227 - 231 . doi: 10.1038/s41565-018-0347-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-018-0347-0

PARK M ， PARK C ， HWANG Y S ， et al . Virtual‐moving metalens array enabling light‐field imaging with enhanced resolution ［J］. Advanced Optical Materials ， 2020 ， 8 （ 21 ）： 2000820 . doi: 10.1002/adom.202000820 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202000820

MAAS H G ， GRUEN A ， PAPANTONIOU D . Particle tracking velocimetry in three-dimensional flows ［J］. Experiments in Fluids ， 1993 ， 15 （ 2 ）： 133 - 146 . doi: 10.1007/bf00190953 http://dx.doi.org/10.1007/bf00190953

HOLSTEEN A L ， LIN D M ， KAUVAR I ， et al . A light-field metasurface for high-resolution single-particle tracking ［J］. Nano Letters ， 2019 ， 19 （ 4 ）： 2267 - 2271 . doi: 10.1021/acs.nanolett.8b04673 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04673

LIU W W ， MA D N ， LI Z C ， et al . Aberration-corrected three-dimensional positioning with a single-shot metalens array ［J］. Optica ， 2020 ， 7 （ 12 ）： 1706 - 1713 . doi: 10.1364/optica.406039 http://dx.doi.org/10.1364/optica.406039

PARK Y ， DEPEURSINGE C ， POPESCU G . Quantitative phase imaging in biomedicine ［J］. Nature Photonics ， 2018 ， 12 （ 10 ）： 578 - 589 . doi: 10.1038/s41566-018-0253-x http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0253-x

KWON H ， ARBABI E ， KAMALI S M ， et al . Single-shot quantitative phase gradient microscopy using a system of multifunctional metasurfaces ［J］. Nature Photonics ， 2020 ， 14 （ 2 ）： 109 - 114 . doi: 10.1038/s41566-019-0536-x http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0536-x

HUANG P S ， ZHANG S . Fast three-step phase-shifting algorithm ［J］. Applied Optics ， 2006 ， 45 （ 21 ）： 5086 - 5091 . doi: 10.1364/ao.45.005086 http://dx.doi.org/10.1364/ao.45.005086

GUO Q ， SHI Z J ， HUANG Y W ， et al . Compact single-shot metalens depth sensors inspired by eyes of jumping spiders ［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America ， 2019 ， 116 （ 46 ）： 22959 - 22965 . doi: 10.1073/pnas.1912154116 http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1912154116

TAN S Y ， YANG F ， BOOMINATHAN V ， et al . 3D imaging using extreme dispersion in optical metasurfaces ［J］. ACS Photonics ， 2021 ， 8 （ 5 ）： 1421 - 1429 . doi: 10.1021/acsphotonics.1c00110 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00110

JIN C Q ， ZHANG J H ， GUO C L . Metasurface integrated with double-helix point spread function and metalens for three-dimensional imaging ［J］. Nanophotonics ， 2019 ， 8 （ 3 ）： 451 - 458 . doi: 10.1515/nanoph-2018-0216 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2018-0216

JIN C Q ， AFSHARNIA M ， BERLICH R ， et al . Dielectric metasurfaces for distance measurements and three-dimensional imaging ［J］. Advanced Photonics ， 2019 ， 1 （ 3 ）： 23 - 31 . doi: 10.1117/1.ap.1.3.036001 http://dx.doi.org/10.1117/1.ap.1.3.036001

COLBURN S ， MAJUMDAR A . Metasurface generation of paired accelerating and rotating optical beams for passive ranging and scene reconstruction ［J］. ACS Photonics ， 2020 ， 7 （ 6 ）： 1529 - 1536 . doi: 10.1021/acsphotonics.0c00354 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00354

XIONG J H ， HSIANG E L ， HE Z Q ， et al . Augmented reality and virtual reality displays： emerging technologies and future perspectives ［J］. Light： Science & Applications ， 2021 ， 10 （ 1 ）： 216 . doi: 10.1038/s41377-021-00658-8 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-021-00658-8

LI L ， ZHANG J ， HU Y Q ， et al . Broadband polarization-switchable multi-focal noninterleaved metalenses in the visible ［J］. Laser & Photonics Reviews ， 2021 ， 15 （ 11 ）： 2100198 . doi: 10.1002/lpor.202100198 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202100198

HU Y Q ， OU X N ， ZENG T B ， et al . Electrically tunable multifunctional polarization-dependent metasurfaces integrated with liquid crystals in the visible region ［J］. Nano Letters ， 2021 ， 21 （ 11 ）： 4554 - 4562 . doi: 10.1021/acs.nanolett.1c00104 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00104

GABOR D . A new microscopic principle ［J］. Nature ， 1948 ， 161 （ 4098 ）： 777 - 778 . doi: 10.1038/161777a0 http://dx.doi.org/10.1038/161777a0

BROWN B R ， LOHMANN A W . Complex spatial filtering with binary masks ［J］. Applied Optics ， 1966 ， 5 （ 6 ）： 967 - 969 . doi: 10.1364/ao.5.000967 http://dx.doi.org/10.1364/ao.5.000967

FUKUSHIMA S ， KUROKAWA T ， OHNO M . Real-time hologram construction and reconstruction using a high-resolution spatial light modulator ［J］. Applied Physics Letters ， 1991 ， 58 （ 8 ）： 787 - 789 . doi: 10.1063/1.104516 http://dx.doi.org/10.1063/1.104516

JIANG Q ， JIN G F ， CAO L C . When metasurface meets hologram： principle and advances ［J］. Advances in Optics and Photonics ， 2019 ， 11 （ 3 ）： 518 . doi: 10.1364/aop.11.000518 http://dx.doi.org/10.1364/aop.11.000518

HUANG L L ， CHEN X Z ， MÜHLENBERND H ， et al . Three-dimensional optical holography using a plasmonic metasurface ［J］. Nature Communications ， 2013 ， 4 （ 1 ）： 2808 . doi: 10.1038/ncomms3808 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms3808

LI X P ， REN H R ， CHEN X ， et al . Athermally photoreduced graphene oxides for three-dimensional holographic images ［J］. Nature Communications ， 2015 ， 6 （ 1 ）： 6984 . doi: 10.1038/ncomms7984 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms7984

LI X ， CHEN L W ， LI Y ， et al . Multicolor 3D meta-holography by broadband plasmonic modulation ［J］. Science Advances ， 2016 ， 2 （ 11 ）： e1601102 . doi: 10.1126/sciadv.1601102 http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1601102

CHOI Y S ， LEE S ， JUNG J Y ， et al . Optical metasurface-based holographic stereogram ［J］. Advanced Optical Materials ， 2020 ， 8 （ 8 ）： 1901970 . doi: 10.1002/adom.201901970 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201901970

FENG H ， LI Q T ， WAN W P ， et al . Spin-switched three-dimensional full-color scenes based on a dielectric meta-hologram ［J］. ACS Photonics ， 2019 ， 6 （ 11 ）： 2910 - 2916 . doi: 10.1021/acsphotonics.9b01017 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01017

GAO H ， WANG Y X ， FAN X H ， et al . Dynamic 3D meta-holography in visible range with large frame number and high frame rate ［J］. Science Advances ， 2020 ， 6 （ 28 ）： eaba8595 . doi: 10.1126/sciadv.aba8595 http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aba8595

XIAO X ， JAVIDI B ， MARTINEZ-CORRAL M ， et al . Advances in three-dimensional integral imaging： sensing， display， and applications ［J］. Applied Optics ， 2013 ， 52 （ 4 ）： 546 - 560 . doi: 10.1364/ao.52.000546 http://dx.doi.org/10.1364/ao.52.000546

ZHANG J L ， WANG X R ， YANG Y ， et al . Flat dielectric metasurface lens array for three dimensional integral imaging ［J］. Optics Communications ， 2018 ， 414 ： 1 - 4 . doi: 10.1016/j.optcom.2017.12.075 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2017.12.075

ZHANG J L ， LAN X ， ZHANG C ， et al . Switchable near-eye integral imaging display with difunctional metalens array ［J］. Optik ， 2020 ， 204 ： 163852 . doi: 10.1016/j.ijleo.2019.163852 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163852

FAN Z B ， QIU H Y ， ZHANG H L ， et al . A broadband achromatic metalens array for integral imaging in the visible ［J］. Light： Science & Applications ， 2019 ， 8 （ 1 ）： ITu4B. 4 . doi: 10.1038/s41377-019-0178-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-019-0178-2

WAN W Q ， QIAO W ， PU D L ， et al . Holographic sampling display based on metagratings ［J］. iScience ， 2020 ， 23 （ 1 ）： 100773 . doi: 10.1016/j.isci.2019.100773 http://dx.doi.org/10.1016/j.isci.2019.100773

HUA J Y ， HUA E K ， ZHOU F B ， et al . Foveated glasses-free 3D display with ultrawide field of view via a large-scale 2D-metagrating complex ［J］. Light： Science & Applications ， 2021 ， 10 （ 1 ）： 213 . doi: 10.1038/s41377-021-00651-1 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-021-00651-1

LEE G Y ， HONG J Y ， HWANG S ， et al . Metasurface eyepiece for augmented reality ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 4562 . doi: 10.1038/s41467-018-07011-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07011-5

LI Z Y ， LIN P ， HUANG Y W ， et al . Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality ［J］. Science Advances ， 2021 ， 7 （ 5 ）： eabe4458 . doi: 10.1126/sciadv.abe4458 http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abe4458

SONG W T ， LIANG X N ， LI S Q ， et al . 3D holographic displays： large‐scale Huygens’ metasurfaces for holographic 3D near‐eye displays （laser photonics rev. 15（9）/2021）［J］. Laser & Photonics Reviews ， 2021 ， 15 （ 9 ）： 2170047 . doi: 10.1002/lpor.202170047 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202170047

PHAN T ， SELL D ， WANG E W ， et al . High-efficiency， large-area， topology-optimized metasurfaces ［J］. Light： Science & Applications ， 2019 ， 8 （ 1 ）： 48 . doi: 10.1038/s41377-019-0159-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-019-0159-5

TSENG E ， COLBURN S ， WHITEHEAD J ， et al . Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging ［J］. Nature Communications ， 2021 ， 12 ： 6493 . doi: 10.1038/s41467-021-26443-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-26443-0

PRESUTTI F ， MONTICONE F . Focusing on bandwidth： achromatic metalens limits ［J］. Optica ， 2020 ， 7 （ 6 ）： 624 - 631 . doi: 10.1364/optica.389404 http://dx.doi.org/10.1364/optica.389404

SELL D ， YANG J J ， DOSHAY S ， et al . Large-angle， multifunctional metagratings based on freeform multimode geometries ［J］. Nano Letters ， 2017 ， 17 （ 6 ）： 3752 - 3757 . doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01082 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01082

LIN Z ， LIU V ， PESTOURIE R ， et al . Topology optimization of freeform large-area metasurfaces ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 11 ）： 15765 - 15775 . doi: 10.1364/oe.27.015765 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.015765

CHRISTIANSEN R E ， LIN Z ， ROQUES-CARMES C ， et al . Fullwave Maxwell inverse design of axisymmetric， tunable， and multi-scale multi-wavelength metalenses ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 23 ）： 33854 - 33868 . doi: 10.1364/oe.403192 http://dx.doi.org/10.1364/oe.403192

CHUNG H ， MILLER O D . High-NA achromatic metalenses by inverse design ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 5 ）： 6945 - 6965 . doi: 10.1364/oe.385440 http://dx.doi.org/10.1364/oe.385440

MANSOUREE M ， KWON H ， ARBABI E ， et al . Multifunctional 25D metastructures enabled by adjoint optimization ［J］. Optica ， 2020 ， 7 （ 1 ）： 77 - 84 . doi: 10.1364/optica.374787 http://dx.doi.org/10.1364/optica.374787

JIANG J Q ， SELL D ， HOYER S ， et al . Free-form diffractive metagrating design based on generative adversarial networks ［J］. ACS Nano ， 2019 ， 13 （ 8 ）： 8872 - 8878 . doi: 10.1021/acsnano.9b02371 http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b02371

AN S S ， FOWLER C ， ZHENG B W ， et al . A deep learning approach for objective-driven all-dielectric metasurface design ［J］. ACS Photonics ， 2019 ， 6 （ 12 ）： 3196 - 3207 . doi: 10.1021/acsphotonics.9b00966 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00966

SO S ， BADLOE T ， NOH J ， et al . Deep learning enabled inverse design in nanophotonics ［J］. Nanophotonics ， 2020 ， 9 （ 5 ）： 1041 - 1057 . doi: 10.1515/nanoph-2019-0474 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2019-0474

YANG Z Y ， WANG Z K ， WANG Y X ， et al . Generalized Hartmann-Shack array of dielectric metalens sub-arrays for polarimetric beam profiling ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 4607 . doi: 10.1038/s41467-018-07056-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07056-6

RUBIN N A ， D'AVERSA G ， CHEVALIER P ， et al . Matrix Fourier optics enables a compact full-Stokes polarization camera ［J］. Science ， 2019 ， 365 （ 6448 ）： eaax1839 . doi: 10.1126/science.aax1839 http://dx.doi.org/10.1126/science.aax1839

FARAJI-DANA M ， ARBABI E ， KWON H ， et al . Hyperspectral imager with folded metasurface optics ［J］. ACS Photonics ， 2019 ， 6 （ 8 ）： 2161 - 2167 . doi: 10.1021/acsphotonics.9b00744 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00744

KANG L ， JENKINS R P ， WERNER D H . Recent progress in active optical metasurfaces ［J］. Advanced Optical Materials ， 2019 ， 7 （ 14 ）： 1801813 . doi: 10.1002/adom.201801813 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201801813

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