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近日，季華實驗室科研團隊聯(lián)合湖南大學發(fā)表綜述文章，論述了超構透鏡在微型化成像系統(tǒng)中的研究進展和面臨的挑戰(zhàn)。

 

 

圖1 論文內容概覽：

全介質超構透鏡在微型成像系統(tǒng)中的優(yōu)勢及其進一步發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

圖片來源：  LightScienceApplications

 

傳統(tǒng)光學的輕薄化難題

 

光學成像在醫(yī)學成像、工業(yè)視覺等領域均有廣泛應用。光學折射透鏡是成像系統(tǒng)的關鍵元件。它利用透鏡材料的彎曲界面發(fā)生的光折射效應,將一個點發(fā)出的光線重新匯聚到一個像點。從波動光學的角度看，折射透鏡的成像依賴于光線傳播路徑的相位累積。由于成像原理、材料等因素限制，單個折射透鏡的成像效果有限，因此高性能的成像系統(tǒng)往往包含各種復雜的透鏡和光學元件組合。隨著現代生產生活的發(fā)展，人們對輕量化、小型化光學成像系統(tǒng)的需求對成像技術發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。

 

 

圖2 看似簡單小巧的手機鏡頭實際上包含了復雜的光學結構

圖片來源：  LightScienceApplications

 

超構透鏡——顛覆性成像技術

 

超構透鏡是實現透鏡成像功能的超構表面（又稱“超表面”）。它基于亞波長的人工結構單元對入射光的相位等參量進行局域調控（即每個位置空間的單元引入相互獨立的相位突變），從而構建聚焦波面對應的相位分布，最終實現透鏡聚焦或成像的功能。與傳統(tǒng)光學透鏡相比，超構透鏡是平面結構，具備超輕超薄（微米/亞微米厚度）等特征，有望實現高度集成的成像系統(tǒng)。因此，超構透鏡是近年來最熱門的研究領域之一。其中全介質超構透鏡由于更高的聚焦和成像效率，比包含金屬的超構透鏡更受研究人員的青睞。

 

 

圖3 超構透鏡聚焦原理

圖片來源：  LightScienceApplications

 

超構透鏡的優(yōu)勢

 

光波通過超構透鏡單元之后的相位依賴于單元的形狀尺寸和入射光場參量（強度、相位、波長、偏振等），因此超構透鏡具備高自由度的電磁調控能力，具備以下顯著優(yōu)勢：

 

（1）單透鏡的消像差成像

 

傳統(tǒng)光學球面鏡在大數值孔徑情況下球差難以消除，而具備雙曲相位分布的超構透鏡在大數值孔徑下仍具備天然的消球差特性，有利于滿足顯微鏡等應用的高分辨率成像需求。同時大視場成像中的彗差、場曲、像散等軸外像差問題也已經通過發(fā)展多種簡單特殊結構得以消除。此外，利用超構單元的色散調控能力可實現多波長或連續(xù)帶寬的消色差成像性能，尤其在光場相機等基于透鏡陣列的成像系統(tǒng)中有重大利用價值。近年來研究人員對影響消色差帶寬的因素進行了討論，不斷提高超構透鏡的消色差性能。

 

 

圖4 單個傳統(tǒng)球面鏡的成像存在 (a)球差、(b) 彗差、(c)場曲、(d) 像散等像差，因此需要透鏡級聯(lián)等手段以消除這些像差；單片超構透鏡可實現(e)-(h) 所示消像差成像

圖片來源：  LightScienceApplications

 

（2）單透鏡的多功能復用

 

超構透鏡靈活多樣的設計原理也賦予了其功能復用性能，可以集多個光學元件的功能于一身，從而以單透鏡實現三維成像、偏振成像、變焦鏡頭、光學全息、光學運算等傳統(tǒng)復雜光學系統(tǒng)的功能。比如，為實現實時偏振成像，傳統(tǒng)的分振幅成像系統(tǒng)通常包括多個分束器、起偏器、相位板、透鏡組、探測器等元件，體積龐大難以壓縮，而一片集成于一個圖像傳感器的超構透鏡便可實現相應功能，極大程度上簡化了系統(tǒng)。

 

 

圖5 基于超構透鏡的偏振成像研究示例。不同偏振的入射光通過超構透鏡之后分別聚焦到不同焦點，從而同時獲得不同偏振的圖像。

圖源：Yan, C. et al. Midinfrared real-time polarization imaging with all-dielectric metasurfaces. Applied Physics Letters 114, 161904 (2019). Figure 1

 

（3）與CMOS工藝兼容的制備過程

 

超構透鏡由于其小特征尺寸和平面結構特征，一般采用光刻手段等制備，與現有CMOS制備工藝兼容。因此，不僅可利用半導體工藝的高精度實現多個超構透鏡的精密對準，還有望實現超構透鏡在圖像傳感器件表面的制備集成。

 

超構透鏡在微型成像系統(tǒng)中的應用難題

 

（1）超構透鏡的性能局限

 

盡管目前超構透鏡研究在大孔徑、大視場、大寬帶和高效率等方面都分別有重要進展，但兼容這四大特性的超構透鏡方面還有很大研究空間。比如：(a) 大數值孔徑超構透鏡的聚焦效率目前受到制備能力的限制還有很大提升空間；(b) 由于消除球差和彗差的相位條件不一致，同時具備大數值孔徑和大視場的單片超構透鏡還有待實現；

 

（c）效率暫且不論，大尺寸、大數值孔徑的寬帶消色差透鏡目前仍然是學術界公認的難題。

 

 

圖6 超構透鏡性能需要平衡孔徑、視場、寬帶和效率等參數，同時實現大孔徑、大視場、大寬帶和高效率仍有難度

圖片來源：  LightScienceApplications

 

（2）高性能超構透鏡的高效率設計優(yōu)化

 

上述超構透鏡的性能局限在一定程度上是其設計方法導致的。超構透鏡一般設計方法是結構單元填充，即根據目標相位分布從龐大的數據中挑選合適的微納結構置于合適位置。因此可能導致超構透鏡存在制造約束（比如過小的間距、過高的深寬比等）帶來的性能限制。此外，這種常規(guī)設計方法涉及海量的預處理計算和仿真。所幸，隨著計算機技術的發(fā)展, 高性能超構透鏡的智能設計已呈快速發(fā)展之勢。但與此同時，科研人員也不可停下進一步優(yōu)化設計原理的腳步。

 

（3）大面積超構透鏡的高效率制備生產

 

部分成像系統(tǒng)（比如AR/VR眼鏡等）要求透鏡的幅面至少達到厘米量級。然而，由于該尺度的超構透鏡（尤其是針對可見光波段）通常包括數以百萬乃至千萬計的單元結構，在設計優(yōu)化和版圖階段面臨海量數據處理問題，此外，非周期性亞微米特征尺寸結構的制備往往需要電子束刻蝕等時間金錢成本均高昂的技術手段，很難實現經濟高效的大面積制備。目前研究表明，發(fā)展步進式光刻和納米壓印技術有望解決這一難題。

 

（4）超構透鏡成像系統(tǒng)的集成與封裝

 

超構透鏡成像系統(tǒng)的應用少不了透鏡-芯片的傳感封裝模塊。目前已有研究通過堆疊技術和光學膠手段實現超構透鏡與圖像傳感芯片的集成與封裝。然而，超構透鏡的CMOS兼容特性并未有效利用，目前僅有少量研究實現超構表面與圖像傳感芯片的一體化制備和集成。圖像傳感器表面的超構透鏡制備與封裝技術仍需發(fā)展，此外，還應考慮封裝玻璃引入的平板像差問題、超構透鏡封裝的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性等。

 

總結與展望

 

超構透鏡在對入射光的高自由度調控方面具有獨特的優(yōu)勢，從而使得傳統(tǒng)光學極難甚至不可能實現的超輕薄微型成像系統(tǒng)成為可能。盡管目前超構透鏡的成像性能和實現方法還存在一定的局限性，其反過來也指明了進一步研究的方向，并已發(fā)展出許多新型成像系統(tǒng)。相信研究人員針對上述難題和挑戰(zhàn)努力進一步優(yōu)化設計原理，提升透鏡加工技術，將能明顯提升超構透鏡的成像性能，實現輕薄化的緊湊光學成像系統(tǒng)。