香港城市大学陈沐谷助理教授与上海交通大学施圣贤教授、齐飞教授联合提出一种基于超构透镜的数字图像相关技术(Meta-lens DIC)，拓展了DIC技术和光学超材料技术的应用潜力，为DIC技术的小型化等方面的应用研究提供了新的思路。

材料与物体表面的变形现象无处不在，并在不同的空间与时间尺度上呈现出差异。数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)作为实验固体力学领域的经典光学诊断手段，已在生物医学、建筑工程、航空航天等众多科学研究与工程应用中得到广泛采用。该技术通过在待测表面制备随机散斑图案(或利用其自然纹理)，并利用相机在不同加载条件下记录散斑图像，结合相关算法分析图像变化，从而能够定量获取全场位移与应变分布。

得益于半导体技术与计算成像技术的快速发展，DIC已从早期的二维、非时间分辨方法，发展为具备三维、时间分辨能力的先进测量技术。然而，该技术在追求高分辨率位移及变形场测量与保持系统简洁性之间，依然面临显著的权衡。当前DIC的发展主要沿着两个方向推进：

1）引入更多相机以提升系统鲁棒性与实现更高维度测量。Stereo-DIC及多相机DIC系统通过多目视觉实现三维形变测量，但更多相机与传统镜头的引入不仅显著增加系统成本，也对多相机之间的同步采集提出更高要求。

2）通过增加光学元件来降低成本并简化系统结构。研究者将棱镜、微透镜阵列以及平面镜组等成像组件引入单相机DIC系统，以实现三维变形测量。然而，这类方法往往需要极高精度的对准与校准，同时也会引入额外的复杂性，导致分辨率、测量精度及有效测量面积的下降。

随着相机及成像组件数量的增加，DIC系统往往变得更加笨重、脆弱，难以在空间受限或恶劣环境中高效部署，而更适合在受控的实验室条件下使用。传统镜头组及光学元件固有的体积与重量限制了 DIC系统的小型化进程，这也促使研究者积极探索新型光学方案，以突破这一瓶颈。

针对上述问题，香港城市大学陈沐谷助理教授与上海交通大学施圣贤教授、齐飞教授联合提出一种基于超构透镜的数字图像相关技术(Meta-lens DIC)，该研究尝试将先进光学超材料与传统DIC技术融合，使用集成有一片超薄且超轻的双目超构透镜的单个相机拍摄高质量的散斑图像，获取待测表面的三维位移和应变场，探索验证Meta-lens DIC技术。超构透镜是一种先进的平面光学元件，由人工制造的纳米单元阵列组成。作为一种新型光学超材料，超构透镜可以精准操控光的波前，具备超薄、紧凑和无球差的特点，非常适合在有限空间内使用，有望替代传统的光学成像系统。

图1 超构透镜数字图像相关技术概念图

与单个传统镜头的相机相比，该工作所提出的双目超构透镜相机更加紧凑和集成化。研究团队将一对超构透镜刻蚀在0.5 mm厚的蓝宝石基板上，并将其集成到CMOS传感器中，构建了紧凑的双目超构透镜相机(图2(a))。这一双目超构透镜相机的体积远远小于配备单个传统商用镜头的相机，并且其双目超构透镜的重量仅为116 mg，远远轻于商用镜头。该片双目超构透镜将立体视觉功能集成在单个芯片上，每个超构透镜的直径为2.6 mm，间隔距离为4.0 mm，由一系列精准排布的GaN纳米天线实现相干相位调制。因此，整个双目超构透镜DIC (binocular meta-lens DIC，BM-DIC)的成像系统仅由双目超构透镜、532 nm 滤波片、光阑和CMOS传感器组成(图2(f))。测量得到的左、右超构透镜的焦距分别为 10.046 mm和10.044 mm，接近设计值。图2(h)展示了理想艾里斑与超构透镜测量结果沿X轴和Y轴横截面强度分布的详细对比。测量得到的强度分布与理论预测高度一致，证明了超构透镜具有较高的聚焦效率和极小的像差。

图2 双目超构透镜的光学特性表征结果。(a)双目超构透镜相机与配备传统单镜头相机的对比照片；(b)双目超构透镜的光学图像；(c)超构透镜的光学显微镜放大图像；(d)超构透镜的俯视扫描电子显微镜(SEM)图像；(e)捕捉超构透镜边缘的倾斜视角SEM图像；(f)双目超构透镜相机的示意图，展示其内部结构；(g) 532 nm下左右超构透镜在Y-Z平面上的聚焦剖面图；(h)在焦点位置，左右超构透镜的X和Y轴方向上截面强度分布，与理想艾里斑的对比

在相同测量精度的前提下，更便携、更小型化的测量系统具有显著优势，可为用户提供更灵活、便捷的测试方案。为评估BM-DIC系统的性能，研究团队开展了经典的平面内和平面外位移测试、橡胶块压缩试验，以及直升机旋翼模型弯曲实验。

在平面内位移测试中，BM-DIC系统实现了高精度测量，标准差(σ)低于2 µm；在平面外位移测试中，受限于双目超构透镜仅4 mm的小基线，σ约为32 µm。结果表明，BM-DIC系统不仅在二维平面位移测量中达到与经典单目2D-DIC相当的精度，还能够仅依托单个双目超构透镜相机获取三维位移场。在与经典双相机Stereo-DIC对橡胶块压缩形变的对比实验中，尽管BM-DIC的基线长度仅为Stereo-DIC的 1/75，其测得的应变场相对误差仍保持在约1%的可接受范围内。

为进一步验证BM-DIC在同时测量位移场与应变场方面的有效性，研究团队对直升机旋翼模型进行了弯曲试验。试验中，旋翼表面喷涂随机散斑(图3(b))，并在其中点附近由固定杆支撑以保持位置(图3(c))。初始状态下，旋翼处于自由状态；随后，通过高精度平移台控制压力杆逐步向下运动以施加载荷，使旋翼产生弯曲变形。一台双目超构透镜相机被放置在弯曲的旋翼模型上方，用于捕捉加载前后散斑图像，从而实现对三维位移场和弯曲应变的测量。随着压力杆从初始位置 (D=0 mm) 移动至D=1.25 mm、5.25 mm、9.25 mm 和 13.25 mm，图3(d-g)显示了BM-DIC相机获取的左侧原始图像，图3(h-k)为Z向位移场△z，图3(l-o)为γzy 应变场，图3(p-s)为γzx 应变场。上述结果表面，BM-DIC系统能够通过单个双目超构透镜相机提供可靠且详细的三维位移场和应变场。相比之下，传统的基于单个相机的2D-DIC在存在显著的平面外运动时，无法提供可靠的物体表面位移场和应变场。

图3 BM-DIC直升机旋翼模型变形测量实验及结果。(a)旋翼模型变形实验装置的实物图；(b)未加载(自由状态)的带散斑的旋翼模型；(c)加载状态下旋翼模型的放大视图，旋翼在支撑杆(固定杆)和压力杆(向下移动的杆)引起的剪切力作用下发生弯曲变形；(d-g) BM-DIC相机拍摄的左侧原始图像，压力杆从初始位置(未加载状态)移动至D=1.25 mm、5.25 mm、9.25 mm 和 13.25 mm；(h-k) Z位移场△z；(l-o)对应的γzy应变场；(p-s)对应的γzx应变场

这项研究将先进微纳光学技术与传统表面应变测量技术相结合，使传统的固体力学测试工具焕发新的活力，并针对便携易用、受限空间等测量场景，拓展了DIC技术和光学超材料技术的应用潜力，为DIC技术的小型化等方面的应用研究提供了新的思路。该工作以“Meta-lens digital image correlation”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances 2025年第9期。论文的共同第一作者为上海交通大学博士后赵洲（现于张江实验室）、香港城市大学博士后刘小源（现于瑞士洛桑联邦理工学院）、上海交通大学硕士研究生嵇煜，通讯作者为香港城市大学陈沐谷助理教授、上海交通大学施圣贤教授和齐飞教授。本项研究工作收到了中国香港特别行政区研究资助局、香港城市大学、国家自然科学基金委、中国博士后基金会、上海交通大学航空发动机研究院、清华大学耿子涵教授、日本理化学研究所Tanaka教授等单位的支持。

研究团队简介

陈沐谷，香港城市大学电机工程系助理教授。2019年获得台湾大学物理系博士学位。2019年于台湾中央研究院应用科学研究中心从事博士后研究。2019年9月至2020年5月于香港理工大学电子及信息工程学系从事博士后研究。2020年6月至2021年7月在香港理工大学电子及信息工程系担任研究助理教授。专长于超表面、超器件、超光学及纳米光子学领域。研究包括光子信息学、纳米光子学、微纳制造技术，以及基于人工纳米天线阵列的光子应用超表面元件设计与应用，已发表SCI论文70余篇。超表面相关成果入选2018年与2020年中国十大光学进展、2024年日内瓦发明展金奖。

施圣贤，上海交通大学教授，博士生导师。2002年学士毕业于国防科技大学，2005年硕士毕业于中南大学，2005年获EPSRC奖学金进入英国曼彻斯特大学攻读博士学位，2010年博士毕业于英国利物浦大学。主要从事光场成像三维测试技术、光学非接触流场诊断技术、层析成像三维流场测试技术等研究。主持“两机”重大专项、国家自然科学基金、航天创新基金、航空重点基金、中-英国际合作项目、新加坡教育部国际合作项目等各类科研课题20余项。先后获得上海市青年科技启明星（A类）、新加坡南洋理工大学Tan Chin Tuan Fellowship，上海交通大学晨星学者（A类）等人才计划支持。

齐飞，上海交通大学讲席教授，航空动力研究所所长。1997年获中国科学技术大学博士学位，1998-2003年先后于美国劳伦斯伯克利国家实验室和桑迪亚国家实验室从事博士后研究。主要从事燃烧诊断、燃烧反应动力学和燃烧不稳定性研究；主持基金委重大科研仪器研制项目“基于超高帧频激光诊断的高温高压湍流燃烧研究装置”(部门推荐)、杰出青年基金等项目20余项；出版专著《燃烧反应动力学》和《燃烧诊断学》，发表SCI论文350余篇。曾获美国物理学会会士、国际燃烧学会会士、国家自然科学二等奖、德国洪堡研究奖、上海市科技精英等荣誉和奖励。任第38届国际燃烧会议大会主席、Applications in Energy and Combustion Science和Proceedings of the Combustion Institute期刊主编、Progress in Energy and Combustion Science等多个期刊编委。