基于超表面的多光谱成像系统设计

光谱成像系统能够同时获取目标的空间维和光谱维信息，具有图谱合一的特点，被广泛应用于航空航天遥感、水质监测、大气污染检测、石油矿物探测等多个领域。随着科学技术的进步，人们对于光学系统的便携性与高精度需求越来越大，光学系统正朝着小型化、集成化、高通量的方向发展。随着衍射光学理论以及微纳加工工艺的发展，一种可以特定调制需要的人工“电磁超材料”随之诞生，这种超材料称之为“超表面”。它是一种由亚波长尺寸的单元结构组合而成的特殊结构，通过人为设计亚波长单元结构的尺寸、形状及序构形式，便可调控光波信息，实现对电磁波的“特异性调控”，从而打破传统材料的束缚。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院计算光学成像技术重点实验室、中国科学院空天信息创新研究院和中国科学院大学的联合科研团队在《光谱学与光谱分析》期刊上发表了以“基于超表面的多光谱成像系统设计”为主题的文章。

该研究将超表面与光谱成像技术相结合，通过相位信息的调控及计算，仅由一块材料、单个元件即可实现不同波长入射光色散与聚焦的独立调控。不同于其他光谱成像结构需准直和聚焦光学系统，本方法通过优化超表面单元结构实现聚焦的多样性，极大缩小了系统体积。超表面光谱成像系统能有效满足集成化、轻小型化探测需求，同时能有效改善传统调控方法能量效率低、对偏振敏感的劣势。

光谱系统微结构计算

传输相位调制原理

光波由振幅、相位、频率三个基本物理量构成，对其进行调控可实现波前的操控，以满足不同的性能需求。本文基于传输相位原理对所设计超表面的单元微结构进行优化，不同的亚波长结构独立控制不同的波长，将亚波长结构进行有序排布完成全模设计，实现不同波长聚焦与色散的独立调控。传统的透镜成像基于传播相位的原理，通过调整传播距离、透镜的曲率半径、透镜厚度来实现不同位置入射光波的聚焦。本工作采用等效折射率理论，通过改变折射率较高的介质材料在单元结构中的占空比来调控单元结构的透射系数和反射系数，从而达到改变单元结构的介电常数和磁导率的目的。

选定510~720nm范围内的八个不同波长，通过建立微结构仿真模型，给定边界条件并设置网格精度及相应场监视器，所构建的超表面单元模型如图1所示，灰色部分为基底材料SiO₂，蓝色部分为单元结构，单元结构采用圆柱结构以避免光波的偏振敏感性，且能有效提高光能利用率，单元结构材料为TiO₂。

图1 超表面单元结构图

单元结构优化计算

对所设计的超表面单元结构进行参数扫描可获得相位的关系，通过改变单元柱的高度和半径大小来观察在不同高度和半径处单元结构的相位变化，高度和半径在一定范围内进行取值可以实现0~2π的相位覆盖。对于中心波长为600nm的光波，单元柱半径取值范围为0.05~0.13μm，扫描结果如图2（a）所示，可以看到单元柱半径在0.05~0.13μm的范围内实现了0~2π的相位控制，且从图2（b）可以看出，在1.3μm高处透过率很高，所以单元结构选定高度为1.3μm。图2（c）为固定高度h为1.3μm条件下的半径相位曲线，该曲线用于进行全模系统的设计。

图2 波长600nm的单元结构扫描结果

系统性能表征

全模模型建立

通过对TiO₂的结构参数进行调控可获得一系列相位以及透射率函数关系，根据函数对应关系，针对不同波长可计算出满足相位匹配的聚焦相位结构。

在进行单元结构设计时，对不同直径条件下的单元柱进行参数扫描，获得相位与直径的关系，利用仿真软件对所设计的单元柱进行扫描后将获得的电场数据进行存储。在对超表面的相位分布进行设计时，读取已存储的电场数据中的相位信息根据获得的相位半径曲线来获得每一个坐标所需要的单元柱的半径尺寸。

对所设计波段范围内的超表面，设计相位排布好的超表面如图3所示，由于相位分布具有周期性，从图3可以看出超表面单元柱的分布也具有周期对称的结构，显示为中心密集边缘稀疏的分布趋势。超表面半径为100μm，焦距为2mm。

图3 超透镜结构示意图

利用FDTD算法对单元结构进行优化后，对光谱成像系统进行构建，超表面光谱成像系统由滤波元件及超表面聚焦系统共同构成，分别响应510~720nm范围内的八个谱段，光谱成像系统整体结构布局如图4所示。宽谱段平面波光束以0°视场角入射，经过滤波元件后，不同谱段的光束分别透射进入不同微结构，通过目标波长的位相调控，实现同一目标波长的聚焦及不同波长的色散。

图4 超表面光谱仪示意图

仿真结果

图5为中心波长为600nm的光束聚焦性能仿真结果。图5（a）横坐标为聚焦光斑在XY坐标系的空间位置，图5（b）横坐标为聚焦光斑在XZ坐标系的空间位置，纵坐标为不同空间位置处的电场强度分布。从电场强度在XY和XZ面的分布可看出电场信息在两个方向均实现了聚焦。

图5 波长为600nm的电场分布情况

各波段光束沿Z轴正方向入射到所设计的超表面光谱系统后的结果如图6所示。图6（a）为对从监视器中获得的电场数据计算之后在理论焦面处的分布，图6（b）为计算获得不同波长电场强度分布， 从图中可看出，510~720nm范围内的八个目标波长分别聚焦在坐标0~100μm不同位置上，八个目标波长的弥散斑直径均小于10μm，实现了不同波长的有效聚焦。

图6 超表面光谱仪色散聚焦效果

结论

在传统单波长相位调制超表面的基础上进一步拓展实现了八个波段的多光谱成像系统设计。通过计算和仿真，根据传输相位原理对超表面单元的结构和周期进行优化改变其等效折射率，实现了对不同波长光的响应。从仿真结果可以看出，在设计波长处，超表面光谱成像仪可以有效聚焦，弥散斑直径小于10μm。设计的超表面光谱成像系统，不受偏振态的影响，并且结构紧凑、效率高，为光谱成像系统的微型化设计与研制提供了一种新的思路，为超表面光谱成像系统的实现提供了一定理论基础。

该研究获得中国科学院重点实验室基金项目（E13A04010F）和科学与颠覆性技术研究先导基金项目（E1Z204030F）的资助支持。

审核编辑：汤梓红