基于中红外超构透镜成像的研究进展及应用

中红外成像器件，特别是工作于大气窗口（3~5μm和8~12μm）的成像器件，在红外成像与探测方面具有重要应用。传统的中红外成像器件笨重、昂贵、工艺复杂，阻碍了未来轻量化和集成化的发展。由亚波长尺度的微纳米结构以周期或非周期的方式阵列而成的超构透镜，具有轻薄、易集成、多功能化的特性，为未来微型化的需求提供了新的可能性。

据麦姆斯咨询报道，近日，湖南大学胡跃强等研究人员在《光学精密工程》期刊上发表了以“中红外波段超构透镜研究进展”为题的文章。文中综述了基于中红外超构透镜成像的研究进展及应用，首先介绍超构透镜的4种基本相位调控方式，以及利用中红外超构透镜实现高聚焦效率、消除色差或单色像差的基本原理，最后，分析了基于中红外超构透镜的成像应用，包括偏振相关成像、可调及可重构成像等。

相位调控方式

表面等离子体共振相位

当电磁波入射到金属与介质分界面，金属表面自由电子的振动频率与入射电磁波的频率相匹配时会发生共振，金属天线将光集中到比波长小得多的区域，并激发名为表面等离子体激元的电荷震荡。通过设计金属天线的尺寸、形状和方向可实现不同的共振频率，进而改变某个频点的相位，产生相位突变。但是基于金属微纳米结构的超构透镜会不可避免地引入欧姆损耗，难以实现高效率的光场调控。由低损耗的介质材料构成的超构透镜可有效地解决这一问题，其调控电磁波的原理可分为三类：基于惠更斯原理的相位、传播相位与几何相位。

基于惠更斯原理的相位

惠更斯原理表现为：行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内传播得到的新波面。惠更斯超构透镜便是基于惠更斯原理实现的电磁超构透镜。惠更斯超构透镜通过在结构单元内部激发电磁响应，形成等效电流与磁流，以此构建惠更斯波源，从而使波前在经过超构透镜时受到调制。

传播相位

传播相位指的是电磁波在传播的过程中会产生光程差，利用这一光程差可实现对相位的调控。基于传播相位原理设计的超构透镜，通常由各向同性的微纳米结构构成，具有高度对称的特点。因此，超构透镜自然赋有偏振不敏感性，即微纳米结构的相位响应与入射光的偏振类型无关，适用于大多数应用场景。

几何相位

几何相位又被称为Pancharatnam-Berry（PB）贝里相位。不同于上述通过调整结构单元的几何尺寸来实现相位调控的原理，几何相位通过调整具有相同尺寸结构的面内旋转角来实现全2π相位调控，该相位调控机理仅适用于圆偏振入射光。

超构透镜成像的重要指标

聚焦效率

超构透镜的聚焦效率一般定义为焦平面三倍半高全宽范围内的光强除以入射的总光强。到目前为止，提高超构透镜聚集效率的方法层出不穷，其中采用反射镜、高对比度折射率材料、高透过率材料、全介质材料或改变微纳米结构几何形状等多种机制已被证明是可行的，如图1所示。

 

图1 中红外高聚焦效率超构透镜

消除色差

以超构透镜为例的衍射光学元件色散表现为：波长越长，偏转角越大，透镜焦距越短。目前有两种消除色差的方法，第一种通过将多个在特定波长工作的超构透镜叠加而实现，与普通透镜消除色差的方式类似，但这种方法只能在多个离散的波长下实现聚集。第二种方法则能在连续波段实现消色差聚焦，其基本原理主要涉及宽带消色差理论。基于此，学者们展开了一系列中红外消色差超构透镜设计，如图2所示。

图2 中红外消色差超构透镜

消除单色轴外像差

在大视场成像中，轴外像差的消除显得尤为重要，其中引起图像几何变形的畸变可通过后续的图像处理进行消除。现今基于超构透镜的大视场成像设计以平面超构透镜为主。常见的利用双曲线相位轮廓生成的超构透镜只能对正入射光产生衍射极限聚焦，而在斜入射情况下焦点会发生强烈的畸变，因此需采用新的相位分布公式。大多数消单色像差超构透镜的设计均以Chevalier Landscape镜头为参考，即在聚焦透镜前放置一个较小的孔径光阑，其将正入射与斜入射的光线分离从而由透镜的不同部分聚焦。而通过设计透镜的曲率和孔径光阑的放置位置可一定程度上消除轴外像差。依据平面衍射光学元件的三阶彗差和像散表达式，当孔径光阑放置在透镜前焦面时，可以有效消除彗差和像散，而衍射透镜的场曲始终为零。因此，将这种设计方法应用到超构透镜中，可以消除所有轴外像差。研究人员提出了一系列消单色像差的中红外超构透镜，这种特性使得透镜能工作在大范围视场，故又可称为大视场超构透镜，如图3所示。

图3 中红外大视场超构透镜

中红外超构透镜成像应用

偏振相关成像

偏振是光的固有属性，它包含的信息通常被传统基于强度的红外热成像传感器所忽略，如目标的材质、结构、几何形状、粗糙度和表面取向等信息，因此偏振成像被广泛应用于目标检测和生物传感等领域。近年来，许多学者基于超构透镜实现了红外手性成像、偏振成像或依据入射光偏振态的不同实现变焦或焦点分离聚焦成像，如图4所示。

 

图4 中红外偏振相关成像

可调及可重构成像

上述超构透镜有一个共通的特性，即超构透镜一旦制成，其功能就固定且无法改变，其应用范围不能进一步扩展。于是具有可主动变化功能的可调谐超构透镜被提出，如图5所示。当下，有两种常用的方法以实现可调超构透镜，一种是通过改变微纳米结构单元间近场相互作用引起的电磁耦合和散射相位差，可对超构透镜的共振波长和输出波前进行相应的调制；另一种是将活性物质整合到超构透镜中，如铟锡氧化物（ITO）、相变材料、液晶和石墨烯等材料，它们的光学性质可以通过施加外部激励（电、热等）进行主动调谐。Ge2Sb2Te5（GST）和Ge2Sb2Se4Te1（GSST）等是比较常见的相变材料，能在非晶态与晶态这两种相态之间相互转换，通过两种不同状态下介电常数的不同实现动态可调的电磁波振幅和相位。除了相变材料，微机电系统（Micro-electro-Mechanical System，MEMS）也是实现可重构超构透镜的一种方法。动态可调的超构表面透镜特别适合成像和AR/VR等应用，这些应用则倾向于具有大范围焦距的变焦透镜。

图5 中红外可调及可重构成像

其他成像应用

如图6所示，除了上述总结的比较常见的光学成像应用之外，基于超构透镜的成像领域还有许多其他功能，在小型化夜视、生物传感和多光谱成像等领域具有巨大的应用潜力。

 

图6 中红外超构透镜其他成像应用

结论

文中对中红外超构透镜及其相关成像技术进行了综述，介绍了利用超构透镜分别实现成像中三个重要指标的原理，列举了中红外超构透镜在偏振成像、可重构及可调成像和其他成像中的一些应用。

虽然超构透镜在中红外波段已经取得了长足的进展，特别是在制造和设计方面，但仍存在许多挑战。要实现更高的聚焦效率、更宽波段的消色差、更强的消单色像差能力等关键指标，才能满足其真正走向应用的需求。目前，超构透镜在中红外波段的应用鲜少报道。同时，目前的成像应用实例大多实现的是单一功能，对于多种功能的叠加或切换需探索创新的工作原理和更复杂的设计方案。更值得一提的是，在进行大面积超构透镜的设计与制备时，需要处理海量数据，往往会耗费大量的时间和计算容量，仍需探究更成熟的数据处理方式、设计方法与制备工艺。

总之，与体积较庞大且成本昂贵的传统中红外光学元件相比，超构透镜具有出色的波前调制能力且具有优良的特性。同时，其加工与半导体工艺兼容，有望实现大规模生产制造。在可预见的未来，超构透镜可能会广泛采用在红外光学系统中，并在红外成像、机器视觉、遥感、医学诊断，生物成像和材料科学等领域发挥重要作用。

编辑：黄飞