介质超透镜助力微型成像系统

【导读】

在航空航天探索、工业视觉、消费电子和医学成像等领域，人们非常期待轻量级、小型化的光学成像系统。然而，传统透镜的光聚焦依赖于累积的传播相位，天然材料有限的折射率限制了成像系统尺寸的进一步缩小。此外，高成像质量通常需要级联多组透镜，导致庞大的架构和精确对齐的挑战。

作为替代方案，由亚波长纳米结构组成的平面超透镜（metalens）可以克服大多数现有挑战，为成像系统的小型化提供了颠覆性的途径。在超透镜家族中，具有高折射率和低损耗的材料组成的介质超透镜已在成像和光学信息处理中得到探索，显示出取代传统级联透镜的潜力。

然而，超透镜的成像系统的实际开发仍应解决几个挑战：

（1）由于基本的相位离散和衍射限制，高聚焦效率对高数值孔径超透镜来说是一个挑战；

（2）超透镜的突破性宽带消色差特征受到一些基本约束、设计限制和制造挑战；

（3）需要平衡不同指标（如数值孔径和视场等）的冲突；

（4）来自设计方法、大面积超透镜的实现和集成的挑战限制了介质超透镜集成系统的进一步发展；

【成果掠影】

近日，季华实验室的潘美研博士和湖南大学胡跃强教授等研究者系统地总结了超透镜在微型光学系统中的进展和挑战。本文介绍了介质超材料的基本物理，分析了典型性能方面的进展和挑战。还对阻碍进一步开发的常见挑战进行了补充讨论，包括传统设计方法的局限性、扩展困难和设备集成。为基于超透镜的紧凑型器件的进一步发展提供了参考。研究成果以题为“Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges”发布在国际著名期刊Light: Science & Applications上。

图1 电介质超透镜与传统折射透镜相比的优势以及阻碍进一步发展的挑战

【核心创新点】

    围绕现有的成像系统小型化的挑战，整理了介质超透镜的最新研究进展，为小型化成像系统的优化提供思路，同时揭示了超透镜的未来发展提供了一些可能的方向，主要体现在以下几个方面：

（1）打破超透镜性能之间冲突的理论和实验新策略（效率与数值孔径、数值孔径与视场、消色差带宽与直径等）；

（2）多功能和可重构的超透镜，可以取代传统光学的复杂配置（例如，偏振相机、变焦镜头、用于信号处理的全光学装置以及光学模拟计算）；

（3）大面积和高性能超透镜的高效设计方法（例如端到端智能设计、自由形式优化，以及将像差校正卸载到后处理软件的计算成像技术）；

（4）大面积超透镜的高效制造和大规模制造方法；

【内容概览】

1基本工作原理：

超透镜的设计通常包括三个步骤： (i) 设计目标相位分布；(ii) 构建纳米结构相库；(iii) 使目标相位与纳米结构相匹配。特别是在步骤(ii)中，有多种方法可以通过调整间原子的几何参数来控制局部相位，通常通过参数扫描获得纳米结构相位库。

1.1相位剖面设计

图2 根据惠更斯原理确定超透镜的相位分布

1.2相位调制机制

图3 控制人工原子施加的突变相位的方法

2进展与挑战

2.1单色像差校正

图4 单色像差校正示意图

图5 通过放松晶格约束的方法实现高数值孔径的超透镜

图6 消球差成像的三种配置

图7 具有代表性的单线态消球差超透镜和相应的应用

图8 Chevalier Landscape超透镜

图9 消球差多层超透镜

图10由提供三种不同相位分布的超透镜产生的场的傅里叶变换 (FT) 幅度

2.2色差校正

图11 人工原子的色散工程能力

图12 消色差金属透镜在透镜阵列成像系统中的应用

图13 用于AR/VR应用的2毫米直径的RGB-彩色超透镜

2.3多功能实现

图14用于实时偏振成像的单片多功能超透镜

图15 变焦超透镜的策略

图16 用于单次3D成像的超透镜

3进一步发展的共同挑战

图17 超透镜全局设计的智能端到端方法

图18 自由形式的全区域优化方法和设计流程

图19 使用堆叠和封装技术集成超表面和光传感器晶圆

图20 片上超表面及其应用

【成果启示】

综上所述，超透镜由局部控制光波的亚波长纳米结构组成，为小规模成像系统提供了颠覆性的途径。介电超透镜的设计和纳米制造的已取得巨大的进展，但在小型化成像系统的开发中仍然存在诸多挑战。这些挑战也为超透镜的未来发展提供了一些可能的方向。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00885-7