日常生活中人們通過顏色與明暗差異來識別物體，感知空間維度上的物質信息。與人類的眼睛只能感知可見光不同，一些生物能夠接收到人類看不到的圖像信息，例如蝦姑能夠感知紫外與紅外波段而烏賊可以通過獨特的眼睛構造識別偏振信息。
從描述光子本征屬性的維度出發，光子除了具有強度維度外，還具有波長、偏振、拓撲荷等多種維度屬性，其中一組正交的物理量可以作為無串擾的圖像信息通道從而攜帶不同的外部信息。如蝦姑與烏賊，其獨特的圖像感知能力使其能夠看到人眼所看不到的信息，幫助其更好地完成捕獵、躲避危險、與同伴交流等活動，從而獲得生存優勢。
人類利用光學器件同樣能夠獲得更卓越的“人工視覺”。如常用于地球遙感的紅外偏振相機，通過波長與偏振的調制能夠篩選識別出復雜環境下的具有紅外與偏振特征的目標物。然而現階段傳統器件依然存在的問題是，為了實現多維度的感知功能，往往需要多種光學元件進行級聯組合，導致器件體積、重量龐大，同時也引起了能量的損失與圖像信息的誤差累計。因此，可以說雖然人們制造的“人工視覺”光子器件已經實現了遠超自然界的絕對性能，但在體積與集成性方面，相對于蝦姑與烏賊精巧的視覺器官，傳統器件依然沒有超越自然界數十億年的進化。
中國科學院上海技術物理研究所李冠海、陳效雙、陸衛課題組與澳大利亞新南威爾士大學Andrey Miroshnichenko教授合作利用超構單元像素級的光場多維度調控能力，基于與傳統硅基半導體工藝兼容的全硅雙折射超表面體系在中波紅外范圍實現了色散調控模式下的波片式偏振解耦寬帶中紅外成像光子器件，能夠實現比昆蟲復眼更小尺寸下的光場調控與成像。
經過設計的光子成像器件由于像素級單元在波長-偏振維度的雙重衍射效果設計，能夠將正交偏振通道上的不同圖像匯聚到不同的深度上，從而為后續級聯的光處理器件與電處理器件提供了直接的物理接口。同時，研究團隊也實現了消色差與消偏振的微型中紅外光子成像器件，實現了集成的寬譜消偏振成像。值得注意的是，其不僅能夠在工作波段內同時采集兩個正交通道上的圖像信息，同時其單元的結構排布角度，能夠消除大入射角下的偏振效應，從而提升圖像的準確度。
研究者相信，該研究成果將會為研究相對比較匱乏、難度較大但具有廣泛應用前景的中波紅外光電探測領域提供新的契機，該研究成果有望在自由空間量子通信、三維激光雷達、航空遙感等領域得到應用。
該研究得到了科技部重點研發計劃量子調控和量子信息專項、納米專項、國家自然科學基金委、上海市科委啟明星項目、中國科學院青年創新促進會等項目的支持。
圖1 (a)不同正交偏振通道的消色差超透鏡示意圖；(b)用于不同偏振態調控的單元數據圖；(c)超表面單元在不同波長及偏振下的等效折射率、透過率與相位分布示意圖；(d)不同波長下消色差成像效果。
