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，針對微型成像系統應用的介質超構透鏡進展和挑戰進行了全面闡述。

 

消費電子、工業、醫療和汽車市場越來越需要微型化和輕量化的成像系統。這些系統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重要。隨著自由曲面透鏡和數字表面處理技術的發展，已經可以實現更薄、更輕的折射透鏡。利用先進的納米制造技術，還開發出了厚度相當于幾個波長的微透鏡陣列。

 

不過，傳統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性，因此很難進一步縮小尺寸。此外，為了獲得高成像質量，通常需要級聯透鏡，這會帶來龐大的結構和精確對準方面的挑戰。衍射透鏡依賴由空間排列“區域”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，基于超構表面的平面超構透鏡（metasurface）可以克服大多數現有挑戰。超構透鏡的聚焦通過亞波長結構局部施加的相位突變實現。等離子超構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。

 

 

介質超構透鏡相比傳統折射透鏡的優勢，及阻礙其進一步發展的挑戰

 

為了提高整體效率，優選由高折射率和低損耗材料組成的全介質超構透鏡。隨著超構光學元件的快速發展，與傳統折射透鏡相比，介質超構透鏡展示了以下優勢：（i）單色和色差校正都可以通過單層或幾層納米結構實現，盡管需要處理透鏡參數之間的沖突（例如，用于校正多個像差，數值孔徑（NA）和視場（FoV）之間的權衡）。（ii）由于波前成形具有高自由度，通過單個超構透鏡可以同時實現多種功能，為構建各種誘人的光學元件開辟了新時代。例如，由一個超構透鏡和一個圖像傳感器組成的single-shot偏振相機，相應的傳統焦平面系統則需要由分束器、偏振器、波片、級聯透鏡和多個探測器組成。（iii）超構透鏡的制造與微電子產業的CMOS制造工藝兼容。因此，超構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可以實現元件的精確對準。

 

因此，介質超構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級聯透鏡的潛力。然而，超構透鏡集成系統進一步應用所面臨的特殊挑戰還有待解決。

 

據麥姆斯咨詢介紹，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應用的介質超構透鏡進展和挑戰進行了綜述，該論文近日發表于Light: Science & Applications期刊。該綜述論文旨在推動基于超構透鏡的緊湊型成設備的進一步發展，突出介紹了介質超構透鏡在微型成像系統中的研究進展，并強調了阻礙其未來發展所面臨的挑戰。

 

 

增強現實/虛擬現實（AR/VR）應用的2 mm直徑RGB消色差超構透鏡

 

首先，該論文簡要介紹了介質超構透鏡的物理基礎知識。然后從典型性能方面介紹了介質超構透鏡的進展和面臨的挑戰。具有高數值孔徑、大視場、色散工程能力（用于消色差成像）和多功能性的超構透鏡受到了重點關注。進一步討論了每種性能的基本限制和設計約束，以及這些性能參數之間的權衡。隨后，強調了阻礙介質超構透鏡在集成系統中未來應用的共同挑戰，包括傳統設計方法的局限性、介質超構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透鏡

 

 

變焦超構透鏡策略

 

 

盡管該領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）波長的超構透鏡成像系統的實際開發，仍存在一些挑戰有待解決。由于基本的相位離散和衍射限制，高數值孔徑的超構透鏡的高聚焦效率還存在挑戰。超構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。

 

超構透鏡全局設計的智能端到端方法

 

反過來，這些挑戰也為超構透鏡未來的發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，以打破超構透鏡性能參數之間的沖突（效率與數值孔徑、數值孔徑與視場、消色差帶寬與直徑等）；（ii）多功能和可重新配置的超構透鏡，有望取代傳統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）大面積高性能超構透鏡的高效設計方法（例如，端到端的智能設計、自由形狀優化，以及像差校正轉移到后處理軟件的計算成像技術）；（iv）大面積超構透鏡的高效制造和大規模制造方法，建立加工誤差和器件性能之間定量關系的系統模型將是有幫助的，預計將用于指導超構表面工業生產的評估和標準。

 

自由形狀全域優化方法和設計流程

 

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

 

最近，自由空間體積被一種稱為“spaceplate”的非局域平面光學結構壓縮，其特征在于一種動量相關的傳遞函數。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構的3D光子晶體、單軸雙折射板和多層結構證明了空間壓縮效應。

 

特別是，理論上已經證明了超構透鏡與spaceplate結合的潛力。通過匹配spaceplate的壓縮比（deff/d）和成像距離，可以分別在spaceplate兩側集成超構透鏡和光電傳感器，從而實現超薄、全固態成像系統。

 

然而，在結合超構透鏡和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衡。

 

采用堆疊和封裝技術集成超構表面和光電傳感器晶圓

 

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

 

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

（來源：MEMS）