微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战

湖南大学机械与运载工程学院的胡跃强副教授团队在Light: Science * Applications期刊上发表以“Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges”为题的综述论文，针对微型成像系统应用的介质超构透镜进展和挑战进行了全面阐述。

消费电子、工业、医疗和汽车市场越来越需要微型化和轻量化的成像系统。这些系统的主要部件都包括聚焦光线的光学透镜。因此，研制尺寸更小的透镜至关重要。随着自由曲面透镜和数字表面处理技术的发展，已经可以实现更薄、更轻的折射透镜。利用先进的纳米制造技术，还开发出了厚度相当于几个波长的微透镜阵列。

不过，传统透镜的光聚焦依赖累积传播相位，由于天然材料的折射率限制，足够的累积相位具有挑战性，因此很难进一步缩小尺寸。此外，为了获得高成像质量，通常需要级联透镜，这会带来庞大的结构和精确对准方面的挑战。衍射透镜依赖由空间排列“区域”操纵的透射光的相长干涉，已被提出作为一种平面光学透镜。然而，它们往往受到低效率、高色散、阴影效应和集成困难的阻碍。此外，单个衍射透镜难以取代多个折射透镜。

作为替代方案，基于超构表面的平面超构透镜（metasurface）可以克服大多数现有挑战。超构透镜的聚焦通过亚波长结构局部施加的相位突变实现。等离子超构透镜首次通过金属纳米天线进行了证实，但它们存在较大的固有损耗。

介质超构透镜相比传统折射透镜的优势，及阻碍其进一步发展的挑战

为了提高整体效率，优选由高折射率和低损耗材料组成的全介质超构透镜。随着超构光学元件的快速发展，与传统折射透镜相比，介质超构透镜展示了以下优势：（i）单色和色差校正都可以通过单层或几层纳米结构实现，尽管需要处理透镜参数之间的冲突（例如，用于校正多个像差，数值孔径（NA）和视场（FoV）之间的权衡）。（ii）由于波前成形具有高自由度，通过单个超构透镜可以同时实现多种功能，为构建各种诱人的光学元件开辟了新时代。例如，由一个超构透镜和一个图像传感器组成的single-shot偏振相机，相应的传统焦平面系统则需要由分束器、偏振器、波片、级联透镜和多个探测器组成。（iii）超构透镜的制造与微电子产业的CMOS制造工艺兼容。因此，超构透镜有潜力直接与图像传感器集成，而半导体代工厂的成熟技术可以实现元件的精确对准。

因此，介质超构透镜在成像和光学信息处理中得到了探索，逐渐显示出取代传统级联透镜的潜力。然而，超构透镜集成系统进一步应用所面临的特殊挑战还有待解决。

据麦姆斯咨询介绍，湖南大学机械与运载工程学院的胡跃强副教授团队以“Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges”为题对微型成像系统应用的介质超构透镜进展和挑战进行了综述，该论文近日发表于Light: Science * Applications期刊。该综述论文旨在推动基于超构透镜的紧凑型成设备的进一步发展，突出介绍了介质超构透镜在微型成像系统中的研究进展，并强调了阻碍其未来发展所面临的挑战。

增强现实/虚拟现实（AR/VR）应用的2 mm直径RGB消色差超构透镜

首先，该论文简要介绍了介质超构透镜的物理基础知识。然后从典型性能方面介绍了介质超构透镜的进展和面临的挑战。具有高数值孔径、大视场、色散工程能力（用于消色差成像）和多功能性的超构透镜受到了重点关注。进一步讨论了每种性能的基本限制和设计约束，以及这些性能参数之间的权衡。随后，强调了阻碍介质超构透镜在集成系统中未来应用的共同挑战，包括传统设计方法的局限性、介质超构透镜的扩展以及集成设备方案等。最后，对未来的进一步研究进行了展望。

用于实时偏振成像的单片多功能超构透镜

变焦超构透镜策略

尽管该领域迄今取得了巨大的进展，但是主要针对可见光-近红外-中红外（VIS-NIR-MIR）波长的超构透镜成像系统的实际开发，仍存在一些挑战有待解决。由于基本的相位离散和衍射限制，高数值孔径的超构透镜的高聚焦效率还存在挑战。超构透镜的突破性宽带消色差特性受到一些基本限制、设计限制和制造挑战。

超构透镜全局设计的智能端到端方法

反过来，这些挑战也为超构透镜未来的发展提供了一些可能的方向。该论文给出了几个示例，但不限于此：（i）新的理论和实验策略，以打破超构透镜性能参数之间的冲突（效率与数值孔径、数值孔径与视场、消色差带宽与直径等）；（ii）多功能和可重新配置的超构透镜，有望取代传统光学元件的复杂配置（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）；（iii）大面积高性能超构透镜的高效设计方法（例如，端到端的智能设计、自由形状优化，以及像差校正转移到后处理软件的计算成像技术）；（iv）大面积超构透镜的高效制造和大规模制造方法，建立加工误差和器件性能之间定量关系的系统模型将是有帮助的，预计将用于指导超构表面工业生产的评估和标准。

自由形状全域优化方法和设计流程

紧凑型成像系统中超构透镜的另一个有趣方向，是与非局域平面光学元件的结合。即使对于由超构透镜和光电传感器组成的最简单的成像系统，自由空间也占据了系统体积的很大一部分。

最近，自由空间体积被一种称为“spaceplate”的非局域平面光学结构压缩，其特征在于一种动量相关的传递函数。通过物理长度为d的spaceplate传输后，输出波前等效于在自由空间中传播了等效长度deff。使用具有各向同性带结构的3D光子晶体、单轴双折射板和多层结构证明了空间压缩效应。

特别是，理论上已经证明了超构透镜与spaceplate结合的潜力。通过匹配spaceplate的压缩比（deff/d）和成像距离，可以分别在spaceplate两侧集成超构透镜和光电传感器，从而实现超薄、全固态成像系统。

然而，在结合超构透镜和spaceplate方面，仍有一些问题需要解决。例如，由于传播动量不仅取决于传播方向，而且还取决于波长，因此在消色差带宽和压缩比之间存在一定的权衡。

采用堆叠和封装技术集成超构表面和光电传感器晶圆

通过解决超构透镜目前面临的挑战并结合非局域光学元件，研究人员预计基于超构透镜的成像系统将越来越紧凑，并在未来的很多领域得到广泛应用，例如，从用于消费级摄影和自动驾驶车辆的摄像头模组，到用于增强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/MR）的可穿戴显示和机器视觉，再到生物成像和内窥镜、信号处理和光学计算等。

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

（来源：MEMS）