微纳制造技术的进步使得在亚微米尺度上对结构几何进行确定性控制成为可能,从而大幅拓展了功能微结构的设计空间[1,2,3,4,5]。因此,几何设计已成为编码和优化光学功能的主要机制[6,7,8,9,10]。重要的是,几何微结构化的影响不仅限于功能性光学响应[11],还控制着光学可见性本身,后者源于结构几何与成像条件之间的相互作用[12,13,14]。然而,在传统显微镜观测中,可见性通常被解释为所制备结构在给定成像配置下的响应[15]。与此同时,多功能光学信息系统中载体外观的直观呈现已被刻意设计。这些发展促使我们提出一个更具体的设计问题:在几何优化过程中,是否可以将制备的连续微浮雕的直接语义可检测性明确地作为通道特定的目标纳入其中[16,17,18]。
在主流的微纳尺度信息编码范式内,几何设计主要用于操纵光场以调节信息表示与访问[19,20,21,22]。在超表面及相关微光学信息载体中,通过亚波长尺度调制光相位、振幅和偏振实现高密度编码和多功能集成,例如基于超表面的全息成像和用于光场整形、聚焦及全息重建的波前工程[23,24,25,26,27]。相位恢复和超表面全息方法进一步提供了重建预定全息波前的成熟计算与结构途径,而多功能载体则证明直接观察到的颜色或纳打印信息可以与全息输出共存[28,29]。在这一更广阔的背景下,本文所研究的设计问题更为具体:同一连续微浮雕被优化以降低其在预定非相干明场通道中的语义可检测性,同时保留相干相位可恢复性。
相关地,表面功能化和微结构设计策略已被广泛探索,以通过受控散射和几何粗糙度来调控光学响应,例如通过激光烧蚀或激光诱导周期性表面结构实现[30,31,32]。这些研究主要聚焦于散射强度、光谱响应或材料功能,而未明确探讨几何连续性与不同成像模态之间视觉可及性的关系[33,34,35,36,37,38,39,40,41]。从成像物理学角度而言,相位物体的空间频率成分决定了其对衍射光谱和强度对比度的贡献,这是光学成像领域公认的原理。这些相位敏感方法建立了此处相关的前向成像基础:给定物体的相位或光程信息可以在直接强度成像中被微弱地表达,但在适当的相位敏感配置下可以恢复。互补的相位恢复和超表面全息方法为计算或结构相位编码及全息波前重建提供了成熟的先例。更为密切相关的多功能载体进一步表明,可见结构色或纳打印信息可以与全息输出相结合,而环境响应型结构色微结构则实现了条件依赖的信息访问。这些研究建立了相关的成像物理学和相位编码策略。本文考察了制备的连续微浮雕的几何结构是否可以直接针对两个预定观测通道进行优化:非相干明场成像中降低语义对比度以及相干成像中保留相位可恢复性。由此产生的几何搜索通过SDF编码、独立的明场和相干前向评估以及VBF、Acoh、SAI和Pareto优化来实现(附表S1)。
为实现这一设计目标,我们开发了一种计算几何框架,将目标信息转化为具有可控明场可见性和相干相位可读性的连续微浮雕几何结构。输入信息通过符号距离场进行编码并映射为平滑高度场,以连续斜率过渡取代突变边界。这种几何结构在数值孔径受限的非相干明场成像下抑制高空间频率边界特征,同时保留光程长度调制以实现相干全息重建。明场可见性、相干可及性和选择性可及指数,连同Pareto分析,用于搜索设计空间并识别合适几何结构。预测的几何-响应关系通过波动光学仿真、参数控制的双光子聚合微结构和Mnemosyne芯片进行验证,后者集成了微文字、灰度浮雕、自由悬浮空心结构和用于相干重建的低对比度微浮雕。综合这些结果,为针对预定明场和相干成像响应优化连续微浮雕几何结构提供了一条计算途径。