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。 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。 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 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。 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。 |
|
来自: 新用户0118F7lQ > 《文件夹1》