微型成像系统应用的介质超构透镜进展及挑战
2022-07-03 14:19:48   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

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

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。

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d_eff。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（d_eff/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。

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

麦姆斯咨询将于2022年7月29日~7月31日线上举办『第44期“见微知著”培训课程：微纳光学元件及应用』，胡跃强副教授已经应邀作为授课老师，为大家讲解“介质超构透镜及微型成像系统”，全面阐述用于微型成像系统的介质超构透镜研究现状、挑战及产业化；此外，针对光学超构表面，深入讲解从小批量实验加工到大批量生产制造的微纳加工技术及研究情况，最后针对微纳加工技术的当前挑战和未来发展进行总结和展望。

延伸阅读：

《AR/VR/MR光学元件技术及市场-2022版》

《超材料和超表面技术及市场-2021版》