用于全色成像的超颖表面和系统以及成像的方法技术方案

描述了超颖表面、包括用于成像的超颖表面的系统以及成像方法。这样的超颖表面可以由多个柱形成在衬底上。超颖表面配置成在波长范围内是光学活性的，并且在某些实施方式中配置成形成透镜。特别地，本文描述的超颖表面可以配置成使穿过超颖表面的光聚焦在扩展的焦深中。因此，例如结合计算重建，所公开的超颖表面通常适合于生成不具有或具有最小色像差的颜色。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于全色成像的超颖表面和系统以及成像的方法相关申请的交叉引用本申请要求2018年1月29日提交的申请号为62/623,170的美国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
现代相机包括级联式且笨重的玻璃光学器件的系统，用于以最小的像差成像。虽然这些系统提供了高质量的图像，但改进的功能是以增加尺寸和重量为代价的，从而限制了它们在可更需要紧凑型图像传感器的各种应用中的使用。降低系统复杂性的一种途径是计算成像，其中光学硬件的许多像差校正和功能已转移到软件领域中的后处理，从而能够以显著简化的光学器件获得高质量的图像。替代地，设计人员可以通过用衍射光学元件(DOE)代替它们来使光学器件最小化，衍射光学元件(DOE)以更紧凑的形状因数仿真折射系统的功能。超颖表面(Metasurfaces)是此类DOE的一个极端示例，其中谐振亚波长光学天线的准周期阵列在波前赋予空间变化的改变。这些元件具有波长级的厚度，可实现高度紧凑的系统，同时设计亚波长谐振器中的大量自由度已实现前所未有的功能，以及透镜、全息干版、闪耀光栅和偏振光学器件的平坦实施。设计用于在宽带照明下成像的消色差超颖表面透镜在超颖表面领域中仍然是一个突出的问题。超颖表面中的强色像差既源自亚波长光学散射体的局部共振行为，又源自散射体空间布置引起的相位包装缠绕不连续。对于透镜，这种色度表现为图像中与波长有关的模糊，这将基于超颖表面的成像限制为窄带操作。试图解决该问题存在很大的工作量；然而，到目前为止，所提出的解决方案要么适用于离散波长，要么适用于窄带宽。专利技术内容为此，本公开提供超颖表面、包括超颖表面的系统以及使用超颖表面生成图像的方法，以实现全色成像并在例如跨越整个可见范围的宽带白光照明下生成高质量图像。因此，在一方面，本公开提供了在波长范围内具有光学活性的超颖表面，包括：多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于第一折射率的第二折射率的间隙物质；其中多个柱中的柱的直径围绕超颖表面的光轴旋转不对称地变化。尽管计算成像和超颖表面这两者单独都是简化光学系统的有前景的途径，但是这些领域的协同组合可以进一步增强系统性能并促进先进的功能，例如，用于采用超颖表面的全可见光谱成像。因此，在另一方面，本公开提供了一种成像系统，该成像系统包括：在波长范围内具有光学活性的超颖表面，该超颖表面包括：多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于第一折射率的第二折射率的间隙物质，其中多个柱中的柱的直径围绕超颖表面的光轴旋转不对称地变化；光电探测器，其定位成吸收已经穿过所述超颖表面的光，并配置成基于吸收的光而生成信号；可操作地耦合到光电探测器的控制器，控制器包括逻辑，当逻辑由控制器执行时，逻辑使器件执行包括以下的操作：基于穿过所述超颖表面的在波长范围内的光，利用所述光电探测器生成多个信号；以及计算重建多个信号以提供多个计算重建的信号；并利用多个计算重建的信号，基于光电探测器吸收的光而生成图像。在又一方面，本公开提供了一种生成图像的方法，该方法包括：基于穿过超颖表面的光，用光电探测器生成多个信号，其中，超颖表面包括：多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于第一折射率的第二折射率的间隙物质，其中多个柱中的柱的直径围绕超颖表面的光轴旋转不对称地变化；计算重建多个信号以提供多个计算重建的信号；并利用多个计算重建的信号基于由光电探测器吸收的光而生成图像。提供本
技术实现思路
以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本公开内容并不旨在识别所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。附图说明当结合附图时，通过参考以下具体实施方式，可以更好地理解所要求保护的主题的前述方面和许多附带的优点，其中：图1A-图1G：成像超颖表面的设计、仿真和制造。(A)超颖表面由氮化硅纳米柱制成，其中厚度T，晶格常数p和直径d是设计参数。(B)包括纳米柱阵列的超颖表面的示意图。(C)通过严格耦合波分析对纳米柱的透射振幅和相位进行仿真。沿单线态超颖表面透镜(D)的光轴和扩展焦深超颖表面(E)的仿真强度，其中在每个面板中从上到下分别使用400nm、550nm和700nm的波长。虚线表示将放置传感器的所需焦平面。单线态超颖表面透镜(F)和扩展焦深器件(G)的光学图像。比例尺为25μm。图2A-图2H：成像超颖表面的表征。在蓝色(A和E)、绿色(B和F)和红色(C和G)照明条件下测量单线态金属(上排)和扩展焦深透镜(下排)的点扩散函数(PSF)。比例尺的长度为25μm。还针对两种设计(D和H)都计算了调制传递函数(MTF)。在D和H中，归一化频率1对应于579周期/mm的相同截止频率。图3A-图3H：在离散波长下成像。用于成像的适当裁剪的原始对象图案示出在(A)和(B)中。使用单线态超透镜(C)和无反卷积的扩展焦深(EDOF)透镜(D)以及具有反卷积的扩展焦深(EDOF)透镜(E)捕获1951空军分辨率图表的图像。还使用单线态超透镜(F)和无反卷积的EDOF器件(G)以及具有反卷积的EDOF器件(H)拍摄二进制MonaLisa图案的图像。比例尺的长度为20μm。图4A-图4D：用白光成像。在白光照明下拍摄彩色印刷的RGB(A)和ROYGBIV(B)文本、彩色的彩虹图案(C)以及具有蓝天、绿叶和多色花朵的风景图片(D)的图像。左栏中示出了用于成像的适当裁剪的原始对象图案。比例尺的长度为20μm。图5：随直径变化的纳米柱的透射振幅和相位。随柱直径变化的400纳米(蓝色)、550纳米(绿色)和700纳米(红色)输入波长的透射系数，固定厚度为633nm，晶格常数为400nm。虚线是相位，实线是相应的振幅。图6A和图6B：随晶格常数和直径变化的纳米柱的透射振幅和相位。随柱直径和晶格常数变化的透射振幅(A)和相位(B)，其中波长为550nm。虚线表示在设计的超颖表面中使用的晶格常数。图7A和图7B：所制造的超颖表面的扫描电子显微图。(A)制造的超颖表面透镜的视图(比例尺为20μm)。(B)透镜的高放大倍率视图，其示出了单独的纳米柱(比例尺为2μm)。图8：根据本公开公开的实施方式的系统。光纤耦合的LED(ThorlabsM455F1，M530F2和M625F2)照亮在测试中的超颖表面透镜，其将光聚焦到位于40倍物镜(NikonPlanFluor，NA＝0.75，WD＝0.66mm)的工作距离处的平面上。镜筒透镜(ThorlabsITL200)将图像放大并投影到相机(AmScopeMU300)上。图9：根据本公开的实施方式的系统。光纤耦合的LED(ThorlabsM455F1，M530F2，M625F2和MCWHF2)照亮在标准8.5”×11”英寸印刷纸张上的对象图案。入射的LED光从图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在波长范围内具有光学活性的超颖表面，包括：/n多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和/n所述多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于所述第一折射率的第二折射率的间隙物质；/n其中，所述多个柱中的柱的直径围绕所述超颖表面的光轴旋转不对称地变化。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180129 US 62/623,1701.一种在波长范围内具有光学活性的超颖表面，包括：
多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和
所述多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于所述第一折射率的第二折射率的间隙物质；
其中，所述多个柱中的柱的直径围绕所述超颖表面的光轴旋转不对称地变化。


2.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述超颖表面配置成使穿过所述超颖表面的在所述波长范围内的光聚焦在扩展的焦深中。


3.根据权利要求2所述的超颖表面，其中，所述扩展的焦深在所述波长范围内在光谱上是基本不变的。


4.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述超颖表面配置成对穿过所述超颖表面的在所述波长范围内的光的波前进行编码。


5.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述超颖表面的至少一部分限定透镜，所述透镜被成形为基于沿所述超颖表面的长度的柱-直径梯度来产生透镜效应。


6.根据权利要求5所述的超颖表面，其中，所述超颖表面是通过图案化以及在所述超颖表面的多个部分之间的衍射差异而限定的三次方相位板。


7.根据权利要求6所述的超颖表面，其中，穿过所述超颖表面的光的相位分布由下式给出：



其中，
f是所述超颖表面的焦距，
x和y是所述超颖表面在所述衬底的平面中的坐标，
z是所述超颖表面的传播方向，
λ是所述超颖表面的工作波长，
L是所述超颖表面的光圈宽度的一半，并且
α是所述超颖表面的三次方相位强度。


8.根据权利要求7所述的超颖表面，其中，α在约0π至约200π的范围内。


9.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述波长范围包括在约400nm至约700nm的范围内的光。


10.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述第一材料是氮化硅。


11.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述间隙物质是空气或聚合物。


12.根据权利要求1所述的超颖表面，其中，所述多个柱的周期率小于所述波长范围内的最小波长；其中，所述多个柱的直径在所述波长范围内的所述最小波长的约25％和所述波长范围内的所述最小波长的约90％的范围内，并且其中，所述多个柱的厚度在所述波长范围的平均波长的约0.75倍和所述波长范围的所述平均波长的约1.5倍的范围内。


13.一种成像系统，包括：
在波长范围内具有光学活性的超颖表面，所述超颖表面包括：
多个柱，所述多个柱包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和
所述多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于所述第一折射率的第二折射率的间隙物质，

【专利技术属性】
技术研发人员：尚恩·科尔伯恩，艾伦·詹，阿卡·马宗达，
申请(专利权)人：华盛顿大学，
类型：发明
国别省市：美国;US