微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战

时间:2022-07-06作者:佚名
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。
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
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。
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
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。
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
用于实时偏振成像的单片多功能超构透镜
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
变焦超构透镜策略
总结与展望
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。
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
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。
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
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。
微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
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。
论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00885-7

(来源:MEMS)

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