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电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

王艺霖 范庆斌 徐挺

王艺霖, 范庆斌, 徐挺. 电磁超表面透镜的前沿成像应用进展[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20211026. doi: 10.3788/IRLA20211026
引用本文: 王艺霖, 范庆斌, 徐挺. 电磁超表面透镜的前沿成像应用进展[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20211026. doi: 10.3788/IRLA20211026
Wang Yilin, Fan Qingbin, Xu Ting. Progress of advanced imaging applications based on electromagnetic metalens[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(5): 20211026. doi: 10.3788/IRLA20211026
Citation: Wang Yilin, Fan Qingbin, Xu Ting. Progress of advanced imaging applications based on electromagnetic metalens[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(5): 20211026. doi: 10.3788/IRLA20211026

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

doi: 10.3788/IRLA20211026
详细信息
    作者简介:

    王艺霖,女,博士生,主要从事光频段超构表面成像方面的研究

    通讯作者: 徐挺,教授,博士,主要研究方向为微纳光学、光学超构材料以及先进微纳加工技术。
  • 中图分类号: O436

Progress of advanced imaging applications based on electromagnetic metalens

  • 摘要: 电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。
  • 图  1  (a), (b)广义斯涅耳定律示意图[6];(c) V形金纳米天线扫描电子显微镜图[6]

    Figure  1.  (a), (b) Schematic of the generalized Snell’s law[6]; (c) Scanning electron microscopy image of V-shaped gold nanoantennas[6]

    图  2  (a)庞加莱球示意图[24];(b)介质纳米柱内部的磁能流密度分布图。比例尺:1 μm[25] ;(c)几何相位、传播相位以及几何相位与传播相位结合示意图[26]

    Figure  2.  (a) Schematic diagram of the Poincare sphere[24]; (b) Magnetic energy density distribution inside the dielectric nanopillar. Scale bar: 1 μm[25]; (c) Geometric phase, propagation phase and the combination of propagation and geometric phases[26]

    图  3  (a)超透镜原理示意图;(b)等离子体超透镜的扫描电子显微镜图及其双工作模式的仿真结果示意图。比例尺:1 μm[28];(c)反射式超透镜原理示意图及其效率[29];(d)近红外波段的超透镜扫描电子显微图及其焦斑图[26];(e), (f)偏振相关(e)[18]和偏振无关(f)[25]的可见光超透镜扫描电子显微镜及其成像结果示意图

    Figure  3.  (a) Schematic diagram of metalens; (b) Scanning electron microscopy image and simulation of a dual-polarity plasmonic metalens. Scale bar: 1 μm[28]; (c) Schematic diagram of reflective metalens and its efficiency[29]; (d) Scanning electron microscopy image of metalens at near infrared wavelength and its intensity profile at the focal plane[26]; (e), (f) Scanning electron microscopy image of polarization-dependent (e)[18] and polarization-independent (f)[25] metalens for visible light and the images taken with metalens

    图  4  彗差矫正的双层超透镜(a)单层超透镜[33](b)结构示意图及其成像结果[38];(c)消色差超透镜的原理示意图;(d)可见光的消色差超透镜显微图及其在x-z平面电场强度分布图[42];(e)消色差超透镜的成像结果示意图[42]

    Figure  4.  Diagram of comet correction of bi-layers (a)[33] and single layer (b)[38] metalens and corresponding imaging results; (c) Schematic diagram of achromatic metalens; (d) Microscopic image of achromatic metalens in visible light wavelength and electric intensity profiles in x-z plane[42]; (e) Images taken by achromatic metalens[42]

    图  5  光场成像。 (a)全色光场成像系统原理示意图[45];(b)图像的深度信息估算[45];(c)渲染后光场图像结果[45];(d)全色积分成像原理图[46];(e)不同深度下的成像结果示意图。比例尺:100 μm[46];(f)虚拟移动的超透镜阵列示意图[47];(g)重构的深度切片图像[47]

    Figure  5.  Light field imaging. (a) Schematic diagram of full-color light-field imaging[45]; (b) Depth estimation of images[45]; (c) Rendered image[45]; (d) Schematic of full-color integral imaging principle[46]; (e) Schematic diagram of imaging at different depths. Scale bar: 100 μm[46]; (f) Schematic of virtual-moving metalens array enabling light-field imaging[47]; (g) Reconstructed slice images at different depths [47]

    图  6  偏振成像。 (a)分割焦平面的超表面偏振成像原理示意图[48];(b)超表面偏振相机的成像结果图。比例尺:100 μm[48];(c) 超表面的显微图及全斯托克斯偏振相机外观图[51];(d)偏振成像结果示意图[51]

    Figure  6.  Polarization imaging. (a) Schematic diagram of division of focal plane polarization imaging[48]; (b) Photographs of the sample by metasurface polarimetric camera. Scale bar: 100 μm[48]; (c) Microscopic image of metasurface and entire system of full-stokes polarization camera[51]; (d) Polarization imagery[51]

    图  7  相位成像。 (a)定量相位梯度显微原理示意图及显微成像结果[53];(b)定量相位显微成像结果。比例尺:40 μm[53];(c) 边缘探测示意图及其成像结果[52];(d)相衬成像原理图与未染色的洋葱表皮细胞的明场图像和相衬图像。比例尺:100 μm[55]

    Figure  7.  Phase imaging. (a) Schematic of the quantitative phase gradient microscope and the imaging results[53]; (b) Imaging results of quantitative phase gradient microscope. Scale bars: 40 μm [53]; (c) Schematic of the edge detection and imaging results[52]; (d) Schematic of the phase contrast imaging and images of the undyed onion epidermal cells and its phase contrast imaging. Scale bar: 100 μm[55]

    图  8  其他成像相关应用。 (a)光学内窥镜示意图[56];(b)传统球透镜与微纳光学内窥镜成像对比图。比例尺:500 μm[56];(c)双光子显微原理示意图[57];(d)利用超透镜和传统物镜实现的双光子显微成像结果对比图[57];(e)增强现实成像原理示意图[58];(f)增强现实与虚拟现实成像结果对比图[58];(g)宽视角成像[58]

    Figure  8.  Other applications in imaging. (a) Photographic image of nano-optic endoscope[56]; (b) Images using a ball lens catheter and the nano-optic endoscope. Scale bars: 500 μm[56]; (c) Schematic illustration of two-photon microscopy[57]; (d) Two-photon microscope images captured using metalens and conventional refractive objective lens[57]; (e) Schematic illustration of augmented reality[58]; (f) Full-color augmented and virtual images[58]; (g) Wide field of view image[58]

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-10
  • 修回日期:  2021-03-21
  • 刊出日期:  2021-05-21

电磁超表面透镜的前沿成像应用进展

doi: 10.3788/IRLA20211026
    作者简介:

    王艺霖,女,博士生,主要从事光频段超构表面成像方面的研究

    通讯作者: 徐挺,教授,博士,主要研究方向为微纳光学、光学超构材料以及先进微纳加工技术。
  • 中图分类号: O436

摘要: 电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。

English Abstract

    • 作为成像的重要器件之一,透镜的聚焦和放大功能早在古代就被人们发现并加以利用。西汉时期,《淮南万毕术》一书中记载:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则生火”;尼罗河美索不达米亚文明时代,举行宗教仪式时,祭司“引天火下凡”等,都是古时候人们利用凸透镜的会聚作用这一特点把易燃物点燃。此外,透镜相关的光学系统也早有雏形。13世纪中叶,培根(R.Bacon)首次提出用透镜矫正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性。随后,意大利数学家波尔塔(Porta)研究了附有凸透镜的暗箱成像,发明了简易照相机。17世纪以后,伽利略(Galileo)和詹森(Janssen)等人先后发现了人类史上的第一架望远镜和显微镜。经过漫长的发展历程,透镜在各个领域的作用都发挥地淋漓尽致。

      随着光学成像技术的不断发展,单一透镜逐渐开始无法满足人们对成像系统的要求,因而需要通过多种类型的透镜组装系统来实现更多新奇的功能。但是组装系统一般体积笨重且庞大,需要一个较为复杂的制造流程。近年来,随着移动、可穿戴、便携式消费电子和医疗设备的不断发展,人们对高性能、低成本微型光学系统的需求也迅速增加,传统光学系统加工挑战性巨大,难以满足大规模集成、器件小型化、功能多样化等要求,因此微型光学系统的研究迫在眉睫。

      近年来,微纳加工技术飞速发展,亚波长尺度的微纳器件展现了许多新的光学现象以及应用前景,吸引了学者的广泛关注。电磁超材料是一种由亚波长尺度的有序结构单元组成的宏观复合材料,是一种自然界中不存在的人工材料,往往可以实现许多独特的光学现象,比如:负折射[1-2]、隐形[3-4]以及超透镜[5]等。然而,三维体状超材料加工困难,限制了它的进一步应用,但是二维的平面结构却可以利用现存光刻和纳米技术来制备,这令很多研究人员将注意力集中在更容易制备的单层或多层的平面结构上,这种平面结构称为超表面,它可以实现对电磁波振幅、相位和偏振的灵活调控[6-10]。由于其具有极薄的厚度,简单的加工工艺以及较高的效率等优点,已经被广泛地应用在全息成像[11-16]、透镜成像[17-20]以及偏振控制[21-22]等各个方面。2011年,美国哈佛大学Capasso教授课题组提出了广义斯涅耳定律,原理如图1(a)所示,利用八个不同形状的V形金纳米天线阵列,通过调节单元结构产生的相位突变实现了0~2π的波前相位调控[6],如图1(c)~(d)所示。自此之后,超表面的研究掀起了新的热潮,相关应用也飞速发展。

      图  1  (a), (b)广义斯涅耳定律示意图[6];(c) V形金纳米天线扫描电子显微镜图[6]

      Figure 1.  (a), (b) Schematic of the generalized Snell’s law[6]; (c) Scanning electron microscopy image of V-shaped gold nanoantennas[6]

    • 光学器件对光场的调控主要通过改变光的振幅、相位和偏振来实现,近年来,超表面已经被证实可以实现对整个光谱范围的电磁波进行操控,亚波长的单元结构也使得它在电磁波的操控上具有更精细、准确的特点。目前,超表面阵列对光场的调控方式主要可以分为三大类:几何相位、传播相位以及几何相位与传播相位的联合调控。

    • 几何相位也叫Pancharatnam-Berry相位,是指在电磁波偏振态发生转变的过程中会附加一个额外的相位因子,该相位因子只与系统演变的几何路径有关[23]。为了更直观地理解几何相位,可以引入庞加莱球进行描述,如图2(a)所示,当光波沿着庞加莱球上的两个不同路径转化成同一个偏振态时,光波的相位发生变化,其值为闭合路径对应立体角的一半(Ω/2)。琼斯矩阵是描述几何相位调制的有力手段,一个快轴随空间坐标变化的各向异性纳米单元结构的琼斯矩阵可以描述为[24]

      图  2  (a)庞加莱球示意图[24];(b)介质纳米柱内部的磁能流密度分布图。比例尺:1 μm[25] ;(c)几何相位、传播相位以及几何相位与传播相位结合示意图[26]

      Figure 2.  (a) Schematic diagram of the Poincare sphere[24]; (b) Magnetic energy density distribution inside the dielectric nanopillar. Scale bar: 1 μm[25]; (c) Geometric phase, propagation phase and the combination of propagation and geometric phases[26]

      $$ {T}={R}\left(-\theta \right)\left[\begin{array}{cc}{t}_{x}& 0\\ 0& {t}_{y}{{\rm{e}}}^{i\varphi }\end{array}\right]{R}\left(\theta \right) $$ (1)

      式中:$ {R}\left(\theta \right) $是2×2的旋转矩阵;$ \theta $是快轴随空间位置变化的方位角;$ {t}_{x} $$ {t}_{y} $分别是两个正交线偏振入射光平行和垂直于纳米单元结构快轴时的透射系数;$ \varphi $是它们的相位差。当一束圆偏振光入射在纳米结构表面时,出射光$ {{E}}_{{o}} $可以表示为:

      $$ {{E}}_{{{\rm{o}}}}=\left[\begin{array}{c}{E}_{x}\\ {E}_{y}\end{array}\right]=\sqrt{{\eta }_{{\rm{co}}}}\left[\begin{array}{c}1\\ \pm i\end{array}\right]+\sqrt{{\eta }_{{\rm{cr}}}}{{\rm{e}}}^{\pm i2\theta }\left[\begin{array}{c}1\\ \mp i\end{array}\right] $$ (2)

      式中:${\eta }_{{\rm{co}}}={\left|\dfrac{1}{2}({t}_{x}+{t}_{y}{{\rm{e}}}^{i\varphi })\right|}^{2}$${\eta }_{{\rm{cr}}}={\left|\dfrac{1}{2}({t}_{x}-{t}_{y}{{\rm{e}}}^{i\varphi })\right|}^{2}$。上式中,第一项与入射光偏振方向相同,称为共偏振分量,系数${\eta }_{{\rm{co}}}$代表共偏振转化效率,第二项与入射偏振方向正交,称为交叉偏振分量,系数${\eta }_{{\rm{cr}}}$代表交叉偏振转化效率。$ \left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right] $代表左旋圆偏振光,$ \left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right] $代表右旋圆偏振光。不难发现,转化后的偏振光携带了一个额外的相位$\varPhi =\pm 2\theta$,正负号取决于入射光的偏振态。当$ {t}_{x}={t}_{y}=1 $且相位差 $ \varphi =\mathrm{\pi } $ 时,由公式(2)可知,此时纳米单元结构可以视为一个理想半波片,即可以实现正交偏振光之间的完全转化,出射光场${{E}}_{{{\rm{o}}}}$为:

      $${{E}_{{{\rm{o}}}}} = {{\rm{e}}^{i2\theta \left( {x,y} \right)}}\left| R \right\rangle {\text{或}}{{E}_{{{\rm{o}}}}} = {{\rm{e}}^{ - i2\theta \left( {x,y} \right)}}\left| L \right\rangle $$ (4)

      不难得出,几何相位对波前调控仅与纳米结构随空间变化的位置$ (x,y) $与方位角$ \theta $相关,与入射光的波长和材料属性等参数无关。此外,当入射光的手性发生反转时,额外引入的相位符号也会发生反转。因此,基于几何相位设计的偏振器件具有偏振依赖的特性,即两种正交的圆偏振态对应了两种相反的相位。

      此外,为了使出射光获得均一的振幅,基于几何相位原理设计的超表面器件,其各向异性的纳米结构单元具有相同的几何形状和大小,仅仅是转角发生了改变。这样,当各向异性的纳米结构单元转角$ \theta $在0~π之间变化时,几何相位便可以提供0~2π的相位覆盖,实现对入射光波前的准确调控。

    • 通过改变纳米结构单元尺寸来实现0~2π的相位调控,这种调控方式称为传播相位设计。由于每个单元结构可近似为截短了的波导,其有效折射率${n}_{{\rm{eff}}}$可以通过调整结构的形状和尺寸大小进行调制,利用介质纳米柱中的波导效应来实现相位累积,因此也可以称为波导相位设计。为了更好地了解相位实现机制,仅由波导效应产生的相位可以表示为[25]

      $$ \varphi =\frac{2\pi }{\lambda }{n}_{{\rm{eff}}}H $$ (5)

      式中:$ \lambda $是自由空间中的波长;${n}_{{\rm{eff}}}$ 是基模(HE11)的有效折射率;$ H $是传播距离,即纳米柱的高度。不难发现,高折射率材料更容易实现全波相位调控。此外,由于波导效应光波的能量主要被局域在介质柱中,因此相邻纳米柱之间的耦合效应是可以忽略的[26]图2(b)给出了纳米柱内部的磁能流密度分布。

      基于传播相位原理设计的超表面器件,单元结构常常具有高度对称的特点,用于实现偏振无关的功能,即任意偏振方向光入射在器件表面,出射光均能获得所需相位,与基于几何相位的光学器件相比拥有更广泛的应用前景。

    • 目前,超表面器件常用的调控方式是几何相位和传播相位相结合的调控方式。该调控方式通过同时改变纳米单元结构的尺寸大小和方位角实现任意两种正交偏振态的完全解耦合,包括圆偏振态和椭圆偏振态。它是一种普适的调控方法,相比单一的调控方式具有更多的调控自由度,因此可以实现更多的功能。这种调控方式由哈佛大学Capasso团队在2017年提出[27],几何相位和传播相位是两种完全独立的相位调控方式,几何相位对正交圆偏振光提供相反的相位,传播相位可以对xy线偏光实现独立的相位调控,当两种调控方式相结合时,可以实现两种任意正交偏振的解耦合,如图2(c)所示。

    • 作为成像的基本元件之一,超透镜的相位分布需要满足如下关系:

      $$ \varphi \left(R,\lambda \right)=-2\pi \left(\sqrt{{R}^{2}+{f}^{2}}-f\right)\frac{1}{\lambda } $$ (6)

      式中:f是超透镜的焦距;R是结构单元所在位置的半径,如图3(a)所示。基于此相位分布,离散的纳米结构单元设计可以实现无球差的聚焦,这在需要高分辨率成像的光学系统中具有重要意义。

      图  3  (a)超透镜原理示意图;(b)等离子体超透镜的扫描电子显微镜图及其双工作模式的仿真结果示意图。比例尺:1 μm[28];(c)反射式超透镜原理示意图及其效率[29];(d)近红外波段的超透镜扫描电子显微图及其焦斑图[26];(e), (f)偏振相关(e)[18]和偏振无关(f)[25]的可见光超透镜扫描电子显微镜及其成像结果示意图

      Figure 3.  (a) Schematic diagram of metalens; (b) Scanning electron microscopy image and simulation of a dual-polarity plasmonic metalens. Scale bar: 1 μm[28]; (c) Schematic diagram of reflective metalens and its efficiency[29]; (d) Scanning electron microscopy image of metalens at near infrared wavelength and its intensity profile at the focal plane[26]; (e), (f) Scanning electron microscopy image of polarization-dependent (e)[18] and polarization-independent (f)[25] metalens for visible light and the images taken with metalens

    • 作为成像和传感相关应用的关键,聚焦效率长时间被研究学者所关注。早期,Chen等人在可见光和近红外波段实现了离子体超透镜[28],器件由金纳米柱和涂有铟锡氧化物(ITO)的玻璃基底构成,对于两种正交圆偏振光,它可以实现正透镜和负透镜两种不同工作模式,结果如图3(b)所示。然而,金属材料的加入使得这种器件具有较高的损耗,难以满足人们对效率的需求。后来,人们利用金属-介质-金属结构实现反射式超透镜[29],理论上它的聚焦效率在80%左右,但是由于制造误差、表面散射、晶界效应及阻尼等问题使得它实际测量效率仅有30%左右,如图3(c)所示,加之实际应用中,透射式超透镜拥有更广泛的应用场景,因此人们迫切需要探究其他方法来实现高效率超透镜。2015年, Faraon团队利用各项同性非晶硅纳米柱在熔融硅基底上实现了近红外超透镜[26],这是一种全介质的透射式超透镜,它可以实现高效率(1550 nm处82%聚焦效率)的近衍射极限聚焦,如图3(d)所示,这是由于非晶硅在近红外区域具有高折射率、低损耗、易于加工等优点,同样,这些优点在中红外和长波红外也适用[30-32],然而由于非晶硅在波长500 nm以下有很高的吸收,因此可见光区域无法实现相似的高效率性能。2016年,Capasso团队利用二氧化钛纳米柱和玻璃基底实现了工作在可见光波段的高效超透镜[18],该器件具有较大的数值孔径(~0.8)和较高的效率(~86%),实现了近衍射极限的聚焦和亚波长分辨成像,结果如图3(e)所示。此类具有高数值孔径的超透镜拥有更高的光学分辨率,因此在显微镜中具有重要的研究意义。然而,由于几何相位的采用,该器件要求入射光必须是圆偏振光。同年,他们还利用二氧化钛纳米柱和玻璃基底实现了工作在可见光波段的偏振无关高效超透镜[25],如图3(f)所示,该透镜同样可以实现近衍射极限的聚焦和高分辨成像。随后,研究学者发现,除了二氧化钛以外,可见光波段也有很多高效率材料,例如氮化镓,氮化硅等,它们虽然没有非晶硅的折射率高,但是在可见光波段足以实现2π相位覆盖以实现相位的完全调控。

    • 像差的存在严重影响了透镜的成像质量,通常,利用双曲面型相位分布实现的无球差超透镜具有严重的彗差,它极大地影响着成像的视场。2016年,Faraon团队引入传统组合透镜的原理在近红外波段实现了±30°的宽视场成像[33],如图4(a)所示,他们在熔融硅基底的两面做了两款超表面,分别用于实现无球差聚焦和彗差矫正,通过实验验证,该器件在30°视场下仍能具有较高的分辨率。后来,一种基于孔径超透镜与聚焦超透镜结合的像差矫正双面超透镜被提出[34]。然而,双面超透镜的加工工艺繁琐复杂,光轴的精确对准更是极其困难,因此单层超透镜才是人们的追求。近年来,一些单层的像差矫正超透镜被提出[35-37],但是它们需要配合截止孔径使用,以满足大视场的要求,然而这种器件带来的问题就是透光量急剧下降,难以应用。最近,研究人员发现,利用算法对单层相位面优化实现像差矫正的超透镜不失为一种好办法。Hao等人实现了一款工作在±32°视场角范围内的超透镜[38],他们利用该透镜对羽毛进行观察,其效果能与商用蔡司镜头相媲美,如图4(b)所示。

      此外,在一些全彩色成像的相关应用中,如何实现色差的矫正也是人们关注的重点。早期,主要通过级联或复用具有多个相位面的超透镜来实现某几个特殊波长的色差矫正[39-41],但是它们无法满足人们对连续带宽的需求。近年来,研究人员利用纳米结构对超透镜阵列进行色散补偿,来实现连续波长的色差矫正。文中介绍了其中一种色差矫正方法,考虑在连续带宽内,超透镜需要的相位分布仍然满足公式(5),可将相位分布拆成两部分,一部分为与波长无关的聚焦相位,一部分为与波长倒数成正比的色散相位:

      $$ {\varphi }_{{\rm{lens}}}'\left(R,\lambda \right)=\varphi \left(R,{\lambda }_{{\rm{max}}}\right)+\Delta \varphi '\left(R,\lambda \right) $$ (7)

      其中,

      $$ \Delta {\varphi }'(R,\lambda )=\Delta \varphi \left(R,\lambda \right)+{\varphi }_{{\rm{shift}}}\left(\lambda \right) $$ (8)
      $$ \Delta \varphi \left(R,\lambda \right)=-2\mathrm{\pi }\left(\sqrt{{R}^{2}+{f}^{2}}-f\right)\left(\frac{1}{\lambda }-\frac{1}{{\lambda }_{{\rm{max}}}}\right) $$ (9)

      $ \varphi \left(R,{\lambda }_{max}\right) $是某一参考波长的聚焦相位,与波长无关。值得注意的是,公式(8)随着波长的增加而增加,称其为正色散效应,它与传统的折射透镜类似,而微纳结构提供的色散是负色散,其相位随着波长的增加而减小,类似于菲涅尔透镜,是一种衍射类型元件。因此,如果直接利用公式(8)来提供超构表面所需要的相位色散显然存在着相位差,因此需要补偿一个额外的相移${\varphi }_{{\rm{shift}}}\left(\lambda \right)$,来补偿这一差值,这一额外的相移只与波长相关,与位置无关,因此它不改变透镜的聚焦性能。图4(c)可以直观地展示出在加入补偿相移后的相位分布,不难发现,相移仅仅是将相位曲线整体向上平移,使其满足需要的负色散性质,即在某一位置处随着波长的增加,相位减小。此外,$ \varDelta {\varphi }'\left(R,\lambda \right) $ 是关于$ 1/\lambda $的函数,它是一条单调递增的直线,因此需要找到一系列纳米结构,使得相位色散谱线为一条直线即可。基于此原理,一种透射式的宽带消色差超透镜被提出[42],它可以实现可见光的全波段消色差(400~660 nm)。该透镜由氮化镓集成共振单元组成,最终实现的消色差超透镜数值孔径为0.106,聚焦效率约为40%,如图4(d)~(e)所示。基于类似的原理,不仅实现了可见光波段的消色差超透镜,其他波段的消色差超透镜也得到了证实[43-44]

      图  4  彗差矫正的双层超透镜(a)单层超透镜[33](b)结构示意图及其成像结果[38];(c)消色差超透镜的原理示意图;(d)可见光的消色差超透镜显微图及其在x-z平面电场强度分布图[42];(e)消色差超透镜的成像结果示意图[42]

      Figure 4.  Diagram of comet correction of bi-layers (a)[33] and single layer (b)[38] metalens and corresponding imaging results; (c) Schematic diagram of achromatic metalens; (d) Microscopic image of achromatic metalens in visible light wavelength and electric intensity profiles in x-z plane[42]; (e) Images taken by achromatic metalens[42]

    • 传统的成像技术是一种二维的振幅成像。然而,某些特定的成像场所需要获得图像的四维位置和方向信息,这相比于传统的振幅成像多出两个自由度,在图像重构的过程中能获得更加丰富的图像信息,包括图像的深度信息,这种技术被称为光场成像。它是一种计算成像技术,通过对捕获的光场信息进行数字处理从而得到相应的图像信息。

      传统的光场成像技术通过微透镜阵列、相机阵列或掩膜及其他手段来捕获光场信息,利用这些手段制备的光场相机常常具有较大的体积或是较低的成像分辨率,这不利于光场成像朝着集成化、实用化和多元化的方向发展,超表面的引入为此提供了一种可能。图5(a)展示了一种全色光场成像系统[45],它通过工作在可见光区域的氮化镓消色差的超表面阵列来捕获多维的光场信息,利用传感器捕获的多幅图像可以渲染出物体的深度信息,如图5(b)所示。图5(c)是利用该光场成像系统拍摄的1951美国空军分辨力测试卡的渲染后图像,在非相干的白光照明下,可分辨的最小物体线宽约为1.95 μm。Fan等人提出了一种可见光集成成像[46],它的工作流程恰恰与传统光场成像相机相反,利用计算机算法对三维场景进行编码,然后在自由空间中重构光学图像,如图5(d)所示。在这里,偏振无关的氮化硅消色差超透镜阵列被用于重构和渲染三维场景,不同深度的成像结果如图5(e)所示。这两种系统均利用氮化硅超表面实现。它是一种完全兼容CMOS工艺的半导体材料,易于加工,在三维成像,波前传感,显微光刻等领域具有广泛的应用前景。

      图  5  光场成像。 (a)全色光场成像系统原理示意图[45];(b)图像的深度信息估算[45];(c)渲染后光场图像结果[45];(d)全色积分成像原理图[46];(e)不同深度下的成像结果示意图。比例尺:100 μm[46];(f)虚拟移动的超透镜阵列示意图[47];(g)重构的深度切片图像[47]

      Figure 5.  Light field imaging. (a) Schematic diagram of full-color light-field imaging[45]; (b) Depth estimation of images[45]; (c) Rendered image[45]; (d) Schematic of full-color integral imaging principle[46]; (e) Schematic diagram of imaging at different depths. Scale bar: 100 μm[46]; (f) Schematic of virtual-moving metalens array enabling light-field imaging[47]; (g) Reconstructed slice images at different depths [47]

      最近,一种利用虚拟移动的超透镜阵列来实现光场成像的方案被提出[47]。它不需要对样品进行移动,通过改变入射光的偏振方向便可以实现样品位置的虚拟移动,原理如图5(f)所示,这种方式可以缩小采样间隔,提高采样点密度以获得更多的图像信息,有助于提高成像空间分辨率和角分辨率。图5(g)展示了不同深度下的切片图像示意图,对比单一偏振与两种偏振结合下的光场成像图像,不难发现,两种偏振结合下的光场成像图具有更高的分辨率。这种方案在解决传统光场成像空间分辨率和角分辨率之间相互制约的问题上具有重要意义。

    • 偏振成像是一种通过探测物体光波偏振态来获取被探测目标相关信息的成像方式。相比于传统的辐射成像,它能提供物体和物质的偏振信息,且具有更高的对比度,近年来已被广泛应用于遥感探测、军事侦察、生物成像和工业检测等各个方面。然而,传统的偏振成像系统通常包括棱镜和波片等光学元件,系统复杂,且偏振对比度低。超透镜采用偏振相关的各向异性纳米结构,这使偏振成像相关应用拥有了巨大优势,为偏振成像的高偏振对比度提供了可能。

      Faraon团队提出了一种分割焦平面的偏振成像方法[48],利用介质超表面实现对相位和偏振的调控,将三个不同的偏振基分离并聚焦在六个不同的点上,如图6(a)所示。该方法可以攻克基于传统偏振滤波片的偏振成像的50%的理论极限效率的难题。此方案可以捕获一个复杂偏振对象的图像,在近红外区域演示了一个全斯托克斯偏振成像,如图6(b)所示。基于类似的原理,还有许多其他研究工作[49-50]

      图  6  偏振成像。 (a)分割焦平面的超表面偏振成像原理示意图[48];(b)超表面偏振相机的成像结果图。比例尺:100 μm[48];(c) 超表面的显微图及全斯托克斯偏振相机外观图[51];(d)偏振成像结果示意图[51]

      Figure 6.  Polarization imaging. (a) Schematic diagram of division of focal plane polarization imaging[48]; (b) Photographs of the sample by metasurface polarimetric camera. Scale bar: 100 μm[48]; (c) Microscopic image of metasurface and entire system of full-stokes polarization camera[51]; (d) Polarization imagery[51]

      Capasso团队设计了一款基于矩阵傅里叶光学的超表面光栅,它可以对任意偏振进行分析[51]。利用此功能,他们构造了一款工作在可见光波段的紧凑型全斯托克斯偏振相机,实现了对偏振光学系统的简化和压缩。无需额外的光学元件,也无需移动各组件,便可以获得良好的偏振摄影效果,如图6(c)~(d)所示,这对于小型化、紧凑化光学器件的应用具有重要意义。

    • 相位成像是一种通过探测相位引起的光强变化来探测样品的成像方式,透明物体的相位成像在生物研究和医学诊断中具有重要意义,它可以揭示生物结构的细节,有利于观测生物结构的形貌。近年来,超表面已经为相位成像提供了巨大的应用优势[52-55]。目前,相位成像主要可以分为定量相位成像和相衬成像(边缘探测)两大类。

      定量相位成像是通过测量光束相位延迟来对样品的折射性能进行显像和检测,用来确定透射过程中相位与亮度的关系,它可以将相位定量地表示出来。受微分干涉对比显微镜启发,Kwon等人提出了一种集成多个超表面实现的小型定量相位梯度显微[53]图7(a)展示了该方法的原理,该显微镜可以同时获得三幅微分干涉对比图像,形成定量的相位梯度图像,海胆细胞的相位梯度结果如图7(b)所示。传统的定量相位成像通常要求复杂和庞大的光学干涉系统,然而超表面的引入使得他们设计的整个光学成像系统的体积大小在毫米尺度,这证实了超表面在生物医学成像领域具有重要的应用前景。

      图  7  相位成像。 (a)定量相位梯度显微原理示意图及显微成像结果[53];(b)定量相位显微成像结果。比例尺:40 μm[53];(c) 边缘探测示意图及其成像结果[52];(d)相衬成像原理图与未染色的洋葱表皮细胞的明场图像和相衬图像。比例尺:100 μm[55]

      Figure 7.  Phase imaging. (a) Schematic of the quantitative phase gradient microscope and the imaging results[53]; (b) Imaging results of quantitative phase gradient microscope. Scale bars: 40 μm [53]; (c) Schematic of the edge detection and imaging results[52]; (d) Schematic of the phase contrast imaging and images of the undyed onion epidermal cells and its phase contrast imaging. Scale bar: 100 μm[55]

      相衬成像(边缘探测)基于空间滤波方法将物体的相位信息转化为相应的振幅信息,实现透明相位物体的衬度显示,其关键在于改变频谱的相位,本质是空间频域滤波。它不能将相位定量地表示出来,只能把相位突变的部分显示出来。Zhou等人提出了一种光学空间微分器,该微分器由两个正交对齐的线性偏振器以及它们之间的几何相位超表面组成[52]。利用该微分器可以实现一维的边缘探测,如图7(c)所示。后来,Huo等人利用自旋控制实现了明场成像和相衬成像之间的相互切换[55],如图7(d)所示。他们在实验上实现了二维的边缘探测,通过全介质超表面与傅里叶变换相结合,可以实现一种二维的空间微分操作,不难发现,在相衬图像中可以清晰地看出透明细胞的边界,展示了相衬成像在透明物体中的成像优势。

    • 除了上述介绍的几种成像技术的应用外,电磁超表面透镜还可以广泛应用于其他成像相关领域中[56-58]。Pahlevaninezhad等人将偏振无关的硅基超透镜集成在内窥镜的光学相干层析扫描导管中[56],结构如图8(a)所示。该方法可以在没有其他复杂的光学系统组件的情况下实现可以高分辨率的成像,将其与猪呼吸道的体外成像图像(如图8(b)所示)进行对比,相比于传统球透镜导管,利用微纳光学内窥镜成像的图像具有更高的分辨率,成像更清晰,这表明将微纳光学内窥镜应用于临床试验中指日可待。

      图  8  其他成像相关应用。 (a)光学内窥镜示意图[56];(b)传统球透镜与微纳光学内窥镜成像对比图。比例尺:500 μm[56];(c)双光子显微原理示意图[57];(d)利用超透镜和传统物镜实现的双光子显微成像结果对比图[57];(e)增强现实成像原理示意图[58];(f)增强现实与虚拟现实成像结果对比图[58];(g)宽视角成像[58]

      Figure 8.  Other applications in imaging. (a) Photographic image of nano-optic endoscope[56]; (b) Images using a ball lens catheter and the nano-optic endoscope. Scale bars: 500 μm[56]; (c) Schematic illustration of two-photon microscopy[57]; (d) Two-photon microscope images captured using metalens and conventional refractive objective lens[57]; (e) Schematic illustration of augmented reality[58]; (f) Full-color augmented and virtual images[58]; (g) Wide field of view image[58]

      双光子显微镜是一种基本的荧光显微镜成像技术,它具有优越的深度组织成像能力。此外,轻量化、小型化的双光子显微可以被应用在深部脑成像中,具有重要的研究意义。2018年,Arbabi等人提出利用超透镜来实现双光子荧光显微[57],该超透镜可以令两个不同波长的光聚焦在相同的焦距处,这两个波长分别对应于被测荧光剂的激发和发射波长,原理如图8(c)所示,利用超透镜作为物镜实现的双光子荧光显微的图像可与传统透镜作为物镜的显微图像相媲美(见图8(d)),且具有更紧凑、更小型化的特点。

      虚拟现实与增强现实是近年来的研究热点之一,在计算机视觉应用方面拥有着的巨大价值。Lee等人利用超透镜实现了一种用于增强现实的紧凑型近眼显示系统[58],这种超透镜可以实现两种功能,既可以接收来自真实场景的光线,也可以作为虚拟信息的目镜,如图8(e)所示。它具有很多传统虚拟现实所不具备的优点,包括超宽的视场,全色彩成像,高分辨率等。利用该超透镜可以实现最大90°视场角的虚拟现实与增强现实成像,图像如图8(f)~(g)所示,这将有助于为消费产品、工业和科学研究领域提供一个新的转折点。

    • 文中从电磁超表面的工作原理及其成像相关应用两方面着手,首先介绍了电磁超表面的相位调控机制,包括几何相位调制,传播相位调制以及几何相位和传播相位的联合调控。接着,文中回顾了超透镜一些基本功能。之后回顾了近年来超表面成像的相关应用进展,其中,着重回顾了超表面在光场成像,偏振成像和相位成像方面的应用,并介绍了超表面透镜在内窥镜,双光子显微镜以及虚拟现实和增强现实方面的成果,展示了超透镜成像在农业、生物医学、医疗保健等领域的巨大潜力。相信在未来,具有各色功能的超表面器件可以整合更多优点到现有的光学系统中,呈现具有新功能的紧凑型光学系统在人们面前。

参考文献 (58)

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