湖南大學機械與運載工程學院的胡躍強副教授團隊在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表以“Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges”為題的綜述論文，針對微型成像系統(tǒng)應用的介質(zhì)超構(gòu)透鏡進展和挑戰(zhàn)進行了全面闡述。

 

消費電子、工業(yè)、醫(yī)療和汽車市場越來越需要微型化和輕量化的成像系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的主要部件都包括聚焦光線的光學透鏡。因此，研制尺寸更小的透鏡至關(guān)重要。隨著自由曲面透鏡和數(shù)字表面處理技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以實現(xiàn)更薄、更輕的折射透鏡。利用先進的納米制造技術(shù)，還開發(fā)出了厚度相當于幾個波長的微透鏡陣列。

 

不過，傳統(tǒng)透鏡的光聚焦依賴累積傳播相位，由于天然材料的折射率限制，足夠的累積相位具有挑戰(zhàn)性，因此很難進一步縮小尺寸。此外，為了獲得高成像質(zhì)量，通常需要級聯(lián)透鏡，這會帶來龐大的結(jié)構(gòu)和精確對準方面的挑戰(zhàn)。衍射透鏡依賴由空間排列“區(qū)域”操縱的透射光的相長干涉，已被提出作為一種平面光學透鏡。然而，它們往往受到低效率、高色散、陰影效應和集成困難的阻礙。此外，單個衍射透鏡難以取代多個折射透鏡。

 

作為替代方案，基于超構(gòu)表面的平面超構(gòu)透鏡（metasurface）可以克服大多數(shù)現(xiàn)有挑戰(zhàn)。超構(gòu)透鏡的聚焦通過亞波長結(jié)構(gòu)局部施加的相位突變實現(xiàn)。等離子超構(gòu)透鏡首次通過金屬納米天線進行了證實，但它們存在較大的固有損耗。

 

 

介質(zhì)超構(gòu)透鏡相比傳統(tǒng)折射透鏡的優(yōu)勢，及阻礙其進一步發(fā)展的挑戰(zhàn)

 

為了提高整體效率，優(yōu)選由高折射率和低損耗材料組成的全介質(zhì)超構(gòu)透鏡。隨著超構(gòu)光學元件的快速發(fā)展，與傳統(tǒng)折射透鏡相比，介質(zhì)超構(gòu)透鏡展示了以下優(yōu)勢：（i）單色和色差校正都可以通過單層或幾層納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，盡管需要處理透鏡參數(shù)之間的沖突（例如，用于校正多個像差，數(shù)值孔徑（NA）和視場（FoV）之間的權(quán)衡）。（ii）由于波前成形具有高自由度，通過單個超構(gòu)透鏡可以同時實現(xiàn)多種功能，為構(gòu)建各種誘人的光學元件開辟了新時代。例如，由一個超構(gòu)透鏡和一個圖像傳感器組成的single-shot偏振相機，相應的傳統(tǒng)焦平面系統(tǒng)則需要由分束器、偏振器、波片、級聯(lián)透鏡和多個探測器組成。（iii）超構(gòu)透鏡的制造與微電子產(chǎn)業(yè)的CMOS制造工藝兼容。因此，超構(gòu)透鏡有潛力直接與圖像傳感器集成，而半導體代工廠的成熟技術(shù)可以實現(xiàn)元件的精確對準。

 

因此，介質(zhì)超構(gòu)透鏡在成像和光學信息處理中得到了探索，逐漸顯示出取代傳統(tǒng)級聯(lián)透鏡的潛力。然而，超構(gòu)透鏡集成系統(tǒng)進一步應用所面臨的特殊挑戰(zhàn)還有待解決。

 

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，湖南大學機械與運載工程學院的胡躍強副教授團隊以“Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges”為題對微型成像系統(tǒng)應用的介質(zhì)超構(gòu)透鏡進展和挑戰(zhàn)進行了綜述，該論文近日發(fā)表于Light: Science & Applications期刊。該綜述論文旨在推動基于超構(gòu)透鏡的緊湊型成設備的進一步發(fā)展，突出介紹了介質(zhì)超構(gòu)透鏡在微型成像系統(tǒng)中的研究進展，并強調(diào)了阻礙其未來發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

 

 

增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）應用的2 mm直徑RGB消色差超構(gòu)透鏡

 

首先，該論文簡要介紹了介質(zhì)超構(gòu)透鏡的物理基礎(chǔ)知識。然后從典型性能方面介紹了介質(zhì)超構(gòu)透鏡的進展和面臨的挑戰(zhàn)。具有高數(shù)值孔徑、大視場、色散工程能力（用于消色差成像）和多功能性的超構(gòu)透鏡受到了重點關(guān)注。進一步討論了每種性能的基本限制和設計約束，以及這些性能參數(shù)之間的權(quán)衡。隨后，強調(diào)了阻礙介質(zhì)超構(gòu)透鏡在集成系統(tǒng)中未來應用的共同挑戰(zhàn)，包括傳統(tǒng)設計方法的局限性、介質(zhì)超構(gòu)透鏡的擴展以及集成設備方案等。最后，對未來的進一步研究進行了展望。

 

 

 

用于實時偏振成像的單片多功能超構(gòu)透鏡

 

 

變焦超構(gòu)透鏡策略

 

 

盡管該領(lǐng)域迄今取得了巨大的進展，但是主要針對可見光-近紅外-中紅外（VIS-NIR-MIR）波長的超構(gòu)透鏡成像系統(tǒng)的實際開發(fā)，仍存在一些挑戰(zhàn)有待解決。由于基本的相位離散和衍射限制，高數(shù)值孔徑的超構(gòu)透鏡的高聚焦效率還存在挑戰(zhàn)。超構(gòu)透鏡的突破性寬帶消色差特性受到一些基本限制、設計限制和制造挑戰(zhàn)。

 

超構(gòu)透鏡全局設計的智能端到端方法

 

反過來，這些挑戰(zhàn)也為超構(gòu)透鏡未來的發(fā)展提供了一些可能的方向。該論文給出了幾個示例，但不限于此：（i）新的理論和實驗策略，以打破超構(gòu)透鏡性能參數(shù)之間的沖突（效率與數(shù)值孔徑、數(shù)值孔徑與視場、消色差帶寬與直徑等）；（ii）多功能和可重新配置的超構(gòu)透鏡，有望取代傳統(tǒng)光學元件的復雜配置（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）；（iii）大面積高性能超構(gòu)透鏡的高效設計方法（例如，端到端的智能設計、自由形狀優(yōu)化，以及像差校正轉(zhuǎn)移到后處理軟件的計算成像技術(shù)）；（iv）大面積超構(gòu)透鏡的高效制造和大規(guī)模制造方法，建立加工誤差和器件性能之間定量關(guān)系的系統(tǒng)模型將是有幫助的，預計將用于指導超構(gòu)表面工業(yè)生產(chǎn)的評估和標準。

 

自由形狀全域優(yōu)化方法和設計流程

 

緊湊型成像系統(tǒng)中超構(gòu)透鏡的另一個有趣方向，是與非局域平面光學元件的結(jié)合。即使對于由超構(gòu)透鏡和光電傳感器組成的最簡單的成像系統(tǒng)，自由空間也占據(jù)了系統(tǒng)體積的很大一部分。

 

最近，自由空間體積被一種稱為“spaceplate”的非局域平面光學結(jié)構(gòu)壓縮，其特征在于一種動量相關(guān)的傳遞函數(shù)。通過物理長度為d的spaceplate傳輸后，輸出波前等效于在自由空間中傳播了等效長度deff。使用具有各向同性帶結(jié)構(gòu)的3D光子晶體、單軸雙折射板和多層結(jié)構(gòu)證明了空間壓縮效應。

 

特別是，理論上已經(jīng)證明了超構(gòu)透鏡與spaceplate結(jié)合的潛力。通過匹配spaceplate的壓縮比（deff/d）和成像距離，可以分別在spaceplate兩側(cè)集成超構(gòu)透鏡和光電傳感器，從而實現(xiàn)超薄、全固態(tài)成像系統(tǒng)。

 

然而，在結(jié)合超構(gòu)透鏡和spaceplate方面，仍有一些問題需要解決。例如，由于傳播動量不僅取決于傳播方向，而且還取決于波長，因此在消色差帶寬和壓縮比之間存在一定的權(quán)衡。

 

采用堆疊和封裝技術(shù)集成超構(gòu)表面和光電傳感器晶圓

 

通過解決超構(gòu)透鏡目前面臨的挑戰(zhàn)并結(jié)合非局域光學元件，研究人員預計基于超構(gòu)透鏡的成像系統(tǒng)將越來越緊湊，并在未來的很多領(lǐng)域得到廣泛應用，例如，從用于消費級攝影和自動駕駛車輛的攝像頭模組，到用于增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實/混合現(xiàn)實（AR/VR/MR）的可穿戴顯示和機器視覺，再到生物成像和內(nèi)窺鏡、信號處理和光學計算等。

 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00885-7

（來源：MEMS）