主动式超表面
超表面是一种具有亚波长周期性结构的表面结构，其可以在有限空间内对光进行高效光束整型。主动式超表面则可在电信号的控制下对整型特性进行实时调控。与传统机械结构相比，这一可编程的全固态超表面器件可以极大提升调制性能和稳定性。主动式超表面的商业化将为AR/VR显示设备、激光测距设备的小型化带来全新的机会，更将引领激光雷达（LiDAR）步入更高集成度的新时代。
超表面
“超” (meta) 一词来源于希腊语，意为“超越” (beyond)，代表着材料性质超越了自然界的物质。超表面作为一种全新的功能材料，其本身由分布在表面上的人工微纳结构所组成。这一与光波长相近的结构单元促使其可以 与周围光场进行独特的相互作用，展现出不同寻常的光线调制效果。
超表面对于光线的非寻常作用可由惠更斯原理(Huygens principle)直观展现出来。惠更斯原理表明对于传播光线的波前，其包络线上的每一点都可被认为是发出次波的新光源。当光线照射到超表面时，组成超表面的每一个超单元(Meta-atom)都等效成为了一个新的光源向外发射光线。而尺寸为亚波长的超单元其出射光的强度、相位和偏振都由结构特征所决定。这些被调制后的“新”光源出射的光线相互作用后便会产生宏观可见的非寻常透射光或反射光。这一基于波前调制的超表面构成了新一代高效平面光 学元件的技术核心。
光学平面化
基于超表面的折射元件
传统透镜通 过构造弯曲的表面实现对于光束的聚焦或者发散功能。这些透镜与光的相互作用基于光的折射定律因而被视作为折射光学元件(ROE)。弯曲表面设计让透镜注定存在着较大的厚度，造成了整个光学系统的臃肿。而利用超表面设计而成的折射元件则可极大地将厚度从毫米级压缩至微米级。对于折射光学元件而言，当离轴光线通过元件时很容易出现图像畸变问题。对于畸变的矫正需要对透镜进行精密加工或设计透镜组，这些都提高了光学系统的成本和整体尺寸。对于超表面系统而言仅需在超单元设计阶段将这些因素考虑进去，对空间利用率和成本方面几乎没有影响。
基于超表面的衍射元件
通过相位调制完成对光线的控制可以大大拓展光线的调节能力。衍射光学元件(DOE)就是一类通过控制介质层厚度分布产生相位差来实现光线整型的光学元件。这种技术线路导致当元件为了提供更多的相位选择提升调制特性的时候，其工艺复杂程度和成本都在成倍增加。这一特性使得厂商不得不在成本和效率中寻求一个平衡点。当超表面进行相位调制的时候，其相位差来源于结构单元的图形设计而非厚度控制，因此可以在相同成本下实现更多的相位选择，提供更高的光学效率。
作为被动光学元件的替代品，超表面提供了一系列无可比拟的独特优势：更小的尺寸、更强的功能、更高的通用性和更低的成本。
从被动元件到主动元件
一个超表面的光线调制特性受到超表面材料折射率和所处环境折射率的高度影响。借由特定的材料设计，这些折射率特性可由输入的电信号进行调控，由此诞生了性能可调的主动式超表面。与被动式超表面相比，其赋予了超表面动态响应特性，因此提供了丰富的动态特性和功能拓展性。主动式超表面的动态调制能力让其在激光雷达的扫描模组领域大放异彩。
更好的激光雷达
激光雷达以脉冲激光对距离进行精确量测，其市场规模随着3D传感、智能机器人和自动驾驶的发展产生了爆发性地增长。光学系统作为激光雷达的核心由激光光源、光束整型模块和探测模块组成，其中对于光束整型模块的设计尤为重要。提供一个高效、紧凑而稳定的光束整型模块将显著提升整个激光雷达系统的性能表现。
激光雷达的工作方式根据照射范围和方式的不同分为非扫描式和扫描式。非扫描式激光雷达会在同一时间照亮前方所有场景和物体，可以以很高的频率获取距离信息，但由于功率问题限制了其测量距离和分辨率。扫描式激光雷达每次仅照亮部分场景，有效提升激光雷达测量距离和空间分辨率，代价则是损失一定的时间分辨率。
更高的效率
主动式超表面提供了更强大的光束扫描能力，包括更宽的扫描角度（四倍于MEMS结构）和更高的速度（千倍于机械结构）。因此加载主动式超表面的激光雷达系统将能提供更好的分辨率和刷新率。
更小的体积
主动式超表面可以与控制电路集成在一个微型芯片上，因此不需要冗杂的机械组件和复杂的光学波导。因此加载主动式超表面的激光雷达系统将能以更小的体积应对智能手机、扫地机器人和智能驾驶的各种需求。
更好的稳定性
主动式超表面无需微机电系统(MEMS)等可动部件就可完成激光的扫描。基于材料特性的扫描功能更使其能应对各种温度变化。因此加载主动式超表面的激光雷达系统将能以优异的稳定性和可靠性应对各种复杂环境。
总结
由于制备工艺的兼容性和性能的优越性，被动和主动式超表面的商业化已走上了高速发展的快车道。在制备方面，运用半导体工艺或纳米压印工艺的量产方式满足了市场对于产量、成本和集成化的需求。一个成熟的研发团队更可基于超表面开发出各种高性能的光学元件以满足市场需求。结合了被动式和主动式超表面的激光雷达系统将能拥有更高的稳定性，更小的体积，更高质量的光束和更高效的扫描能力，实现在测距领域质的飞跃。超表面在不久的将来会出现在我们生活的方方面面，存在于包括激光雷达的各种系统中提供着更为优异的性能表现。