杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的科学家研发的一种超材料计算成像仪，虽然现在成像仪工作于微波波段，但是也可以实现用于红外和其他光波段的成像仪。更重要的是，它省去了成像系统中的典型物理组件，其中包括一些透镜和相关的扫描或移动零件。对于18-26GHz范围内的频率，导波超材料孔径（aperture）达到了二维成像的要求——10帧/秒。还演示了物理层面40:1的图像压缩比。

计算/压缩成像

在传统成像中，人们认为透镜在将一个场景的各部分都映射到探测器平面的过程中形成一些测量模式。每种模式都会提供具体的局部信息（比如强度、相位、角度以及场景与与探测器之间的距离），各模式同时被CCD、CMOS或其他探测器阵列捕获。

此外，单像素成像仪可以通过扫描模式顺序捕捉一个场景的信息，例如，莱斯大学开发的单像素成像仪利用一个随机掩码和两个透镜来将不相干的模式投射到一个场景上，然后使用新兴的计算成像算法根据测量数据复原了该场景。

而在最近杜克大学/加州大学圣地亚哥分校的演示中，通过使用一个将微波能量反馈到谐振的、被称为电-电感-电容（electric-inductor-capacitor，ELC）的超材料元件阵列的平面波导，形成了微波超材料成像仪。它们创造了一个一维光圈，并且没有透镜和扫描过程。在该装置中，那些ELC的谐振频率随机分布在18-26GHz带宽范围内。因此，波导扮演了连贯协调的单像素设备的角色，而ELC阵列产生了一组复杂的空间模式，这些模式作为激励频率的函数而变化。

超材料孔径

一维超材料孔径基本上由一个漏隙波导组成，是通过使用一些互补ELC来模仿（pattern）一个标准微带线（microstrip line）的最佳导体形成的。ELC沿微带的几何形状可以被控制，目的是影响散射场的特征，比如发射波的振幅和相位，这样才能真正工程实现人们需要的任何远场模式。对于谐振超材料，频率是标引模式的合理选择。在可用波段内推扫照明信号的频率按顺序使用不同模式，而无需移动或重新配置孔径。

虽然目前演示的是微波频率下的情况，但是也可以开发用于太赫兹或红外波段的类似计算/压缩成像仪。杜克大学的研究团队目前正致力于为近红外和远红外波段评估类似的成像设备，用于这些波段的大型探测器阵列可能比较昂贵。使用与光子系统一样的制造方法，超材料成像仪的元件——导波结构和超材料层——可以过渡到较短波长。

由于被低方向性喇叭天线照明，场景中来自目标的后向散射辐射填充40cm长的超材料孔径，制作该孔径时使之适用于18-26GHz频率范围。在一项实验中，一个4×4×3m的腔室中包含几个直径为10cm的散射反光镜来实现这一点。针对每个测量频率，孔径只能运行一个特定模式。根据实验测量结果，达到了1.7o的衍射极限角分辨率和4.6cm的带宽限制分辨率。该次测量只有101个值，这意味着在100ms的采集时间内，压缩比为40:1。

杜克大学的David Smith教授说：“压缩成像的理论上的方法启示，可以过梳采样场景信息，但仍能复原完整的、并达到衍射极限的信息，这个实验表明，超材料结构是非常适合用做压缩和其他计算成像方案的硬件。”

（蒲玲琳 编译自METAMATERIALS: Metamaterial imager eliminates lenses and moving parts，http://www.laserfocusworld.com，付小芳 校）