中紅外成像器件，特別是工作于大氣窗口（3~5μm和8~12μm）的成像器件，在紅外成像與探測方面具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的中紅外成像器件笨重、昂貴、工藝復(fù)雜，阻礙了未來輕量化和集成化的發(fā)展。由亞波長尺度的微納米結(jié)構(gòu)以周期或非周期的方式陣列而成的超構(gòu)透鏡，具有輕薄、易集成、多功能化的特性，為未來微型化的需求提供了新的可能性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，湖南大學(xué)胡躍強(qiáng)等研究人員在《光學(xué)精密工程》期刊上發(fā)表了以“中紅外波段超構(gòu)透鏡研究進(jìn)展”為題的文章。文中綜述了基于中紅外超構(gòu)透鏡成像的研究進(jìn)展及應(yīng)用，首先介紹超構(gòu)透鏡的4種基本相位調(diào)控方式，以及利用中紅外超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)高聚焦效率、消除色差或單色像差的基本原理，最后，分析了基于中紅外超構(gòu)透鏡的成像應(yīng)用，包括偏振相關(guān)成像、可調(diào)及可重構(gòu)成像等。

相位調(diào)控方式

表面等離子體共振相位

當(dāng)電磁波入射到金屬與介質(zhì)分界面，金屬表面自由電子的振動頻率與入射電磁波的頻率相匹配時會發(fā)生共振，金屬天線將光集中到比波長小得多的區(qū)域，并激發(fā)名為表面等離子體激元的電荷震蕩。通過設(shè)計(jì)金屬天線的尺寸、形狀和方向可實(shí)現(xiàn)不同的共振頻率，進(jìn)而改變某個頻點(diǎn)的相位，產(chǎn)生相位突變。但是基于金屬微納米結(jié)構(gòu)的超構(gòu)透鏡會不可避免地引入歐姆損耗，難以實(shí)現(xiàn)高效率的光場調(diào)控。由低損耗的介質(zhì)材料構(gòu)成的超構(gòu)透鏡可有效地解決這一問題，其調(diào)控電磁波的原理可分為三類：基于惠更斯原理的相位、傳播相位與幾何相位。

基于惠更斯原理的相位

惠更斯原理表現(xiàn)為：行進(jìn)中的波陣面上任一點(diǎn)都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的次波所形成的包絡(luò)面，就是原波面在一定時間內(nèi)傳播得到的新波面。惠更斯超構(gòu)透鏡便是基于惠更斯原理實(shí)現(xiàn)的電磁超構(gòu)透鏡。惠更斯超構(gòu)透鏡通過在結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部激發(fā)電磁響應(yīng)，形成等效電流與磁流，以此構(gòu)建惠更斯波源，從而使波前在經(jīng)過超構(gòu)透鏡時受到調(diào)制。

傳播相位

傳播相位指的是電磁波在傳播的過程中會產(chǎn)生光程差，利用這一光程差可實(shí)現(xiàn)對相位的調(diào)控。基于傳播相位原理設(shè)計(jì)的超構(gòu)透鏡，通常由各向同性的微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有高度對稱的特點(diǎn)。因此，超構(gòu)透鏡自然賦有偏振不敏感性，即微納米結(jié)構(gòu)的相位響應(yīng)與入射光的偏振類型無關(guān)，適用于大多數(shù)應(yīng)用場景。

幾何相位

幾何相位又被稱為Pancharatnam-Berry（PB）貝里相位。不同于上述通過調(diào)整結(jié)構(gòu)單元的幾何尺寸來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控的原理，幾何相位通過調(diào)整具有相同尺寸結(jié)構(gòu)的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)全2π相位調(diào)控，該相位調(diào)控機(jī)理僅適用于圓偏振入射光。

超構(gòu)透鏡成像的重要指標(biāo)

聚焦效率

超構(gòu)透鏡的聚焦效率一般定義為焦平面三倍半高全寬范圍內(nèi)的光強(qiáng)除以入射的總光強(qiáng)。到目前為止，提高超構(gòu)透鏡聚集效率的方法層出不窮，其中采用反射鏡、高對比度折射率材料、高透過率材料、全介質(zhì)材料或改變微納米結(jié)構(gòu)幾何形狀等多種機(jī)制已被證明是可行的，如圖1所示。

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圖1 中紅外高聚焦效率超構(gòu)透鏡

消除色差

以超構(gòu)透鏡為例的衍射光學(xué)元件色散表現(xiàn)為：波長越長，偏轉(zhuǎn)角越大，透鏡焦距越短。目前有兩種消除色差的方法，第一種通過將多個在特定波長工作的超構(gòu)透鏡疊加而實(shí)現(xiàn)，與普通透鏡消除色差的方式類似，但這種方法只能在多個離散的波長下實(shí)現(xiàn)聚集。第二種方法則能在連續(xù)波段實(shí)現(xiàn)消色差聚焦，其基本原理主要涉及寬帶消色差理論。基于此，學(xué)者們展開了一系列中紅外消色差超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 中紅外消色差超構(gòu)透鏡

消除單色軸外像差

在大視場成像中，軸外像差的消除顯得尤為重要，其中引起圖像幾何變形的畸變可通過后續(xù)的圖像處理進(jìn)行消除。現(xiàn)今基于超構(gòu)透鏡的大視場成像設(shè)計(jì)以平面超構(gòu)透鏡為主。常見的利用雙曲線相位輪廓生成的超構(gòu)透鏡只能對正入射光產(chǎn)生衍射極限聚焦，而在斜入射情況下焦點(diǎn)會發(fā)生強(qiáng)烈的畸變，因此需采用新的相位分布公式。大多數(shù)消單色像差超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)均以Chevalier Landscape鏡頭為參考，即在聚焦透鏡前放置一個較小的孔徑光闌，其將正入射與斜入射的光線分離從而由透鏡的不同部分聚焦。而通過設(shè)計(jì)透鏡的曲率和孔徑光闌的放置位置可一定程度上消除軸外像差。依據(jù)平面衍射光學(xué)元件的三階彗差和像散表達(dá)式，當(dāng)孔徑光闌放置在透鏡前焦面時，可以有效消除彗差和像散，而衍射透鏡的場曲始終為零。因此，將這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到超構(gòu)透鏡中，可以消除所有軸外像差。研究人員提出了一系列消單色像差的中紅外超構(gòu)透鏡，這種特性使得透鏡能工作在大范圍視場，故又可稱為大視場超構(gòu)透鏡，如圖3所示。

圖3 中紅外大視場超構(gòu)透鏡

中紅外超構(gòu)透鏡成像應(yīng)用

偏振相關(guān)成像

偏振是光的固有屬性，它包含的信息通常被傳統(tǒng)基于強(qiáng)度的紅外熱成像傳感器所忽略，如目標(biāo)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、幾何形狀、粗糙度和表面取向等信息，因此偏振成像被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測和生物傳感等領(lǐng)域。近年來，許多學(xué)者基于超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)了紅外手性成像、偏振成像或依據(jù)入射光偏振態(tài)的不同實(shí)現(xiàn)變焦或焦點(diǎn)分離聚焦成像，如圖4所示。

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圖4 中紅外偏振相關(guān)成像

可調(diào)及可重構(gòu)成像

上述超構(gòu)透鏡有一個共通的特性，即超構(gòu)透鏡一旦制成，其功能就固定且無法改變，其應(yīng)用范圍不能進(jìn)一步擴(kuò)展。于是具有可主動變化功能的可調(diào)諧超構(gòu)透鏡被提出，如圖5所示。當(dāng)下，有兩種常用的方法以實(shí)現(xiàn)可調(diào)超構(gòu)透鏡，一種是通過改變微納米結(jié)構(gòu)單元間近場相互作用引起的電磁耦合和散射相位差，可對超構(gòu)透鏡的共振波長和輸出波前進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制；另一種是將活性物質(zhì)整合到超構(gòu)透鏡中，如銦錫氧化物（ITO）、相變材料、液晶和石墨烯等材料，它們的光學(xué)性質(zhì)可以通過施加外部激勵（電、熱等）進(jìn)行主動調(diào)諧。Ge2Sb2Te5（GST）和Ge2Sb2Se4Te1（GSST）等是比較常見的相變材料，能在非晶態(tài)與晶態(tài)這兩種相態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，通過兩種不同狀態(tài)下介電常數(shù)的不同實(shí)現(xiàn)動態(tài)可調(diào)的電磁波振幅和相位。除了相變材料，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-Mechanical System，MEMS）也是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)超構(gòu)透鏡的一種方法。動態(tài)可調(diào)的超構(gòu)表面透鏡特別適合成像和AR/VR等應(yīng)用，這些應(yīng)用則傾向于具有大范圍焦距的變焦透鏡。

圖5 中紅外可調(diào)及可重構(gòu)成像

其他成像應(yīng)用

如圖6所示，除了上述總結(jié)的比較常見的光學(xué)成像應(yīng)用之外，基于超構(gòu)透鏡的成像領(lǐng)域還有許多其他功能，在小型化夜視、生物傳感和多光譜成像等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

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圖6 中紅外超構(gòu)透鏡其他成像應(yīng)用

結(jié)論

文中對中紅外超構(gòu)透鏡及其相關(guān)成像技術(shù)進(jìn)行了綜述，介紹了利用超構(gòu)透鏡分別實(shí)現(xiàn)成像中三個重要指標(biāo)的原理，列舉了中紅外超構(gòu)透鏡在偏振成像、可重構(gòu)及可調(diào)成像和其他成像中的一些應(yīng)用。

雖然超構(gòu)透鏡在中紅外波段已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，特別是在制造和設(shè)計(jì)方面，但仍存在許多挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)更高的聚焦效率、更寬波段的消色差、更強(qiáng)的消單色像差能力等關(guān)鍵指標(biāo)，才能滿足其真正走向應(yīng)用的需求。目前，超構(gòu)透鏡在中紅外波段的應(yīng)用鮮少報(bào)道。同時，目前的成像應(yīng)用實(shí)例大多實(shí)現(xiàn)的是單一功能，對于多種功能的疊加或切換需探索創(chuàng)新的工作原理和更復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案。更值得一提的是，在進(jìn)行大面積超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)與制備時，需要處理海量數(shù)據(jù)，往往會耗費(fèi)大量的時間和計(jì)算容量，仍需探究更成熟的數(shù)據(jù)處理方式、設(shè)計(jì)方法與制備工藝。

總之，與體積較龐大且成本昂貴的傳統(tǒng)中紅外光學(xué)元件相比，超構(gòu)透鏡具有出色的波前調(diào)制能力且具有優(yōu)良的特性。同時，其加工與半導(dǎo)體工藝兼容，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造。在可預(yù)見的未來，超構(gòu)透鏡可能會廣泛采用在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，并在紅外成像、機(jī)器視覺、遙感、醫(yī)學(xué)診斷，生物成像和材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

編輯：黃飛

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