超表面材料讓三維成像技術更輕、更快、更小

文章鏈接:Chunqi Jin, Mina Afsharnia, René Berlich, Stefan Fasold, Chengjun Zou, Dennis Arslan, Isabelle Staude, Thomas Pertsch, and Frank Setzpfandt "Dielectric metasurfaces for distance measurements and three-dimensional imaging," Advanced Photonics 1(3), 036001

作者:徐雷 新南威爾士大學、Mohsen Rahmani 澳大利亞國立大學

超表面在現代納米科技領域扮演著重要的角色,有望取代目前大部分光學器件,并在尺寸、效率、功能等各個方面超越傳統的光學器件。

最近德國耶拿應用光學與精密工程所和中國長春光學精密機械與物理研究所的科學家共同提出并在實驗上實現了一種全新的基于介質超表面材料的三維成像技術。該成像過程只需要單個攝像頭即可,并且不需要特殊光學照明系統,有望大大降低目前三維成像技術的復雜度以及成本。

圖1 介質超表面用于雙螺旋點擴散函數成像方法示意圖。

該方法基于雙螺旋點擴散函數成像方法,利用介質硅納米圓盤超表面替代傳統的液晶空間光調制器來構造所需的特殊波前相位,將傳統點光源的點擴散光斑改造成具有兩個側葉的光斑,即雙螺旋點擴散函數。其側頁之間連線與水平的夾角直接反映了光源在傳播方向上的位置。

課題組研究人員利用惠更斯超表面來實現構建雙螺旋點擴散函數所需的特殊波前相位。惠更斯超表面在入射光照射下,能激發一對正交的、散射強度相當的電偶極子和磁偶極子。研究人員通過改變超表面上硅納米圓盤直徑來調節電磁響應從而精確控制散射場的傳播特性,在實現高透射率的同時,實現了對不同區域透射光相位的360°的自由操控。進而,研究人員將所需相位信息加載到硅介質超表面來構造出雙螺旋點擴散函數。實驗顯示,通過測量像平面上的雙螺旋點擴散函數的兩個側頁直接連線與水平的夾角,該成像系統能夠很容易分辨出20 cm以內的不同三維物體。

基于這種成像原理,研究人員進一步利用超表面相位掩模和單個攝像頭實現了對由三個不同物體組成的三維空間景象的三維成像。他們通過采集像平面上的光分布,解析三維景象不同點對應的雙螺旋點擴散函數側頁的旋轉角度來推算出空間縱向深度信息,而側頁的中心位置則對應于景象不同點的橫向位置,同時利用數值重構算法分析像的頻譜來獲取該景象在不同深度下二維橫向平面內的灰度信息。

圖2 基于介質超表面-雙螺旋點擴散函數成像方法的三維實體成像實例。左:三維實體景象;右:深度信息獲取。

傳統的通過液晶空間光調制器來制造所需的特殊相位的方法不僅困難,而且效率低下。研究人員利用硅納米圓盤超表面不僅能夠極大地提高透射率(透射率高達96%),而且使得結構尺寸直接縮小至一層厚度僅相當于頭發絲粗細五百分之一的“貼膜”。超表面不僅能夠很好地替代傳統光學元件,也可以進一步集成多個光學元件到超表面上。例如可以將該三維成像技術中的透鏡以及所需的相位掩模整合到一個超表面上,從而進一步減小成像系統的尺寸并降低其成像的復雜度。展望未來,包括超表面技術在內的納米光學技術的發展,將進一步推動三維成像設備向更輕、更快、更小、成本更低的方向前進。

背景介紹

三維成像技術能夠保存物體三維空間信息與三維特征,突破了傳統二維成像系統的局限,在三維打印、生物醫學、人工智能駕駛等各個領域顯示出越來越不可替代的作用。近年來,隨著高清晰度高速傳感器的出現以及計算機運算能力的提升,三維成像技術得到了深入的研究并被逐漸應用到多個領域中。

目前常見的三維成像技術包括全息三維成像技術、計算機層析成像、結構光三維成像技術等等。但是這些技術通常需要兩步以上的成像過程,并且需要多個攝像頭或者采用特殊的照明系統,大大增加了成像過程的復雜度以及成本。同時成像系統的尺寸過大,也不利于攜帶或集成于其它光電子設備。近年來隨著光電子科學技術以及光子集成器件的飛速發展,如何使三維成像系統向高效集成器件方向轉換日益顯得重要。

超表面是基于惠更斯原理,通過設計特殊的“人工原子”,如納米圓盤,按照一定的排列方式而構建成的二維超構材料,通過對平面內不同位置人工原子尺寸的精確設計,可以實現對局部電磁場偏振、振幅、相位等傳播特性的有效調控,進而實現對電磁波波前自由而高效的調控。

介質超表面具有低損耗、易集成、制備工藝簡單等優勢,有望在納米光子學領域發揮重大的應用,引起了越來越廣泛的關注,成為近年來物理學、信息學、生物學、材料學以及相關交叉學科的研究熱點。