麦姆斯咨询获悉，近日，来自南昌大学的研究团队在集成式多维光传感领域取得重要突破，提出一种基于超构表面的衍射光学网络架构，实现单帧、无扫描、芯片集成的光谱与偏振信息同步高精度重构，为片上多维光感知提供了全新技术路径。研究成果以Integrated spectropolarimeter by metasurface-based diffractive optical networks为题，发表于美国光学学会旗舰期刊Optica。
光谱检测可揭示物质的成分与浓度信息，偏振检测能够表征材料双折射、表面形貌与光学各向异性，二者结合是生物医学诊断、工业检测、遥感成像等场景的核心需求。传统光谱-偏振测量系统面临显著局限：依赖分立光学元件，难以实现微型化与片上集成；需机械扫描或时序测量，无法满足动态场景实时感知；光谱与偏振功能难以在单一器件中高效融合。如何将物理光场调控与智能计算解码进行协同设计，在同一结构中实现波长与偏振的联合编码和解耦，成为实现紧凑、单帧、多维光传感的关键问题。
本研究提出一种基于超构表面衍射光学网络的集成光谱偏振仪，能够在单次测量中同时重建光谱成分和斯托克斯参数。该系统通过超构表面对波长与偏振依赖的相位调制，将高维光学信息编码为空间强度分布，再通过深度学习网络进行解码，实现了紧凑、高效的多维光学传感。
图1 集成光谱偏振仪工作原理示意图
系统由光学编码器与电子解码器共同构成，通过反向传播同时优化超构表面相位分布和神经网络权重。入射光经超构表面编码器调制后，在CMOS图像传感器上形成空间强度图，再由卷积神经网络同时重建光谱和偏振信息。光学编码器由超构表面构成，能够将入射光的偏振和光谱信息编码为独特的空间强度分布。超构表面使用各向异性硅纳米柱结构作为超构原子，通过几何相位与传播相位相结合，实现对左旋/右旋圆偏振光的独立相位调控。在系统训练过程中，将光场传播物理模型与神经网络权重联合优化，通过反向传播同步更新超构表面相位分布与网络参数，最小化光谱保真度与偏振精度损失，从而提升系统对噪声、加工误差与对准偏差的鲁棒性。
该研究在近红外（1100–1600 nm）与可见光（450–650 nm）波段完成系统验证，并实现芯片集成原型。
图2 近红外波段光谱与偏振重建性能
在近红外波段，系统对窄带光源的光谱重建平均绝对误差（MAE）为0.004；对宽带光源的MAE为0.031，平均相对误差（MRE）为7.39%；双峰分辨能力达6 nm。在庞加莱球上均匀分布的偏振态重建中，平均MAE为0.016。此外，该系统可进一步实现光谱偏振成像。
图3 芯片集成传感器原型及性能验证
研究进一步将超构表面直接集成于商用CMOS图像传感器，实现了可见光波段的光谱偏振测量。器件尺寸仅为厘米级，结构紧凑，无运动部件、稳定性强。集成传感器在窄带/宽带光谱和偏振重建中均保持优异性能。
该研究的核心创新在于对物理驱动的超构表面设计与数据驱动的深度学习进行协同优化，使得系统能够以最有利于后续识别的方式塑造光场分布。这种端到端的联合设计方法，为多功能、超紧凑型光学传感器的研发提供了理论和实践上的参考框架。
延伸阅读：
《高光谱和多光谱成像技术、应用和市场趋势-2025版》
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
