介質超透鏡助力微型成像系統

【導讀】

在航空航天探索、工業視覺、消費電子和醫學成像等領域，人們非常期待輕量級、小型化的光學成像系統。然而，傳統透鏡的光聚焦依賴于累積的傳播相位，天然材料有限的折射率限制了成像系統尺寸的進一步縮小。此外，高成像質量通常需要級聯多組透鏡，導致龐大的架構和精確對齊的挑戰。

作為替代方案，由亞波長納米結構組成的平面超透鏡（metalens）可以克服大多數現有挑戰，為成像系統的小型化提供了顛覆性的途徑。在超透鏡家族中，具有高折射率和低損耗的材料組成的介質超透鏡已在成像和光學信息處理中得到探索，顯示出取代傳統級聯透鏡的潛力。

然而，超透鏡的成像系統的實際開發仍應解決幾個挑戰：

（1）由于基本的相位離散和衍射限制，高聚焦效率對高數值孔徑超透鏡來說是一個挑戰；

（2）超透鏡的突破性寬帶消色差特征受到一些基本約束、設計限制和制造挑戰；

（3）需要平衡不同指標（如數值孔徑和視場等）的沖突；

（4）來自設計方法、大面積超透鏡的實現和集成的挑戰限制了介質超透鏡集成系統的進一步發展；

【成果掠影】

近日，季華實驗室的潘美研博士和湖南大學胡躍強教授等研究者系統地總結了超透鏡在微型光學系統中的進展和挑戰。本文介紹了介質超材料的基本物理，分析了典型性能方面的進展和挑戰。還對阻礙進一步開發的常見挑戰進行了補充討論，包括傳統設計方法的局限性、擴展困難和設備集成。為基于超透鏡的緊湊型器件的進一步發展提供了參考。研究成果以題為“Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges”發布在國際著名期刊Light: Science & Applications上。

圖1 電介質超透鏡與傳統折射透鏡相比的優勢以及阻礙進一步發展的挑戰

【核心創新點】

??? 圍繞現有的成像系統小型化的挑戰，整理了介質超透鏡的最新研究進展，為小型化成像系統的優化提供思路，同時揭示了超透鏡的未來發展提供了一些可能的方向，主要體現在以下幾個方面：

（1）打破超透鏡性能之間沖突的理論和實驗新策略（效率與數值孔徑、數值孔徑與視場、消色差帶寬與直徑等）；

（2）多功能和可重構的超透鏡，可以取代傳統光學的復雜配置（例如，偏振相機、變焦鏡頭、用于信號處理的全光學裝置以及光學模擬計算）；

（3）大面積和高性能超透鏡的高效設計方法（例如端到端智能設計、自由形式優化，以及將像差校正卸載到后處理軟件的計算成像技術）；

（4）大面積超透鏡的高效制造和大規模制造方法；

【內容概覽】

1基本工作原理：

超透鏡的設計通常包括三個步驟： (i) 設計目標相位分布；(ii) 構建納米結構相庫；(iii) 使目標相位與納米結構相匹配。特別是在步驟(ii)中，有多種方法可以通過調整間原子的幾何參數來控制局部相位，通常通過參數掃描獲得納米結構相位庫。

1.1相位剖面設計

圖2 根據惠更斯原理確定超透鏡的相位分布

1.2相位調制機制

圖3 控制人工原子施加的突變相位的方法

2進展與挑戰

2.1單色像差校正

圖4 單色像差校正示意圖

圖5 通過放松晶格約束的方法實現高數值孔徑的超透鏡

圖6 消球差成像的三種配置

圖7 具有代表性的單線態消球差超透鏡和相應的應用

圖8 Chevalier Landscape超透鏡

圖9 消球差多層超透鏡

圖10由提供三種不同相位分布的超透鏡產生的場的傅里葉變換 (FT) 幅度

2.2色差校正

圖11 人工原子的色散工程能力

圖12 消色差金屬透鏡在透鏡陣列成像系統中的應用

圖13 用于AR/VR應用的2毫米直徑的RGB-彩色超透鏡

2.3多功能實現

圖14用于實時偏振成像的單片多功能超透鏡

圖15 變焦超透鏡的策略

圖16 用于單次3D成像的超透鏡

3進一步發展的共同挑戰

圖17 超透鏡全局設計的智能端到端方法

圖18 自由形式的全區域優化方法和設計流程

圖19 使用堆疊和封裝技術集成超表面和光傳感器晶圓

圖20 片上超表面及其應用

【成果啟示】

綜上所述，超透鏡由局部控制光波的亞波長納米結構組成，為小規模成像系統提供了顛覆性的途徑。介電超透鏡的設計和納米制造的已取得巨大的進展，但在小型化成像系統的開發中仍然存在諸多挑戰。這些挑戰也為超透鏡的未來發展提供了一些可能的方向。

原文鏈接：

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