超表面材料让三维成像技术更轻、更快、更小

文章链接: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 新南威尔士大学、Mohsen Rahmani 澳大利亚国立大学

超表面在现代纳米科技领域扮演着重要的角色,有望取代目前大部分光学器件,并在尺寸、效率、功能等各个方面超越传统的光学器件。

最近德国耶拿应用光学与精密工程所和中国长春光学精密机械与物理研究所的科学家共同提出并在实验上实现了一种全新的基于介质超表面材料的三维成像技术。该成像过程只需要单个摄像头即可,并且不需要特殊光学照明系统,有望大大降低目前三维成像技术的复杂度以及成本。

图1 介质超表面用于双螺旋点扩散函数成像方法示意图。

该方法基于双螺旋点扩散函数成像方法,利用介质硅纳米圆盘超表面替代传统的液晶空间光调制器来构造所需的特殊波前相位,将传统点光源的点扩散光斑改造成具有两个侧叶的光斑,即双螺旋点扩散函数。其侧页之间连线与水平的夹角直接反映了光源在传播方向上的位置。

课题组研究人员利用惠更斯超表面来实现构建双螺旋点扩散函数所需的特殊波前相位。惠更斯超表面在入射光照射下,能激发一对正交的、散射强度相当的电偶极子和磁偶极子。研究人员通过改变超表面上硅纳米圆盘直径来调节电磁响应从而精确控制散射场的传播特性,在实现高透射率的同时,实现了对不同区域透射光相位的360°的自由操控。进而,研究人员将所需相位信息加载到硅介质超表面来构造出双螺旋点扩散函数。实验显示,通过测量像平面上的双螺旋点扩散函数的两个侧页直接连线与水平的夹角,该成像系统能够很容易分辨出20 cm以内的不同三维物体。

基于这种成像原理,研究人员进一步利用超表面相位掩模和单个摄像头实现了对由三个不同物体组成的三维空间景象的三维成像。他们通过采集像平面上的光分布,解析三维景象不同点对应的双螺旋点扩散函数侧页的旋转角度来推算出空间纵向深度信息,而侧页的中心位置则对应于景象不同点的横向位置,同时利用数值重构算法分析像的频谱来获取该景象在不同深度下二维横向平面内的灰度信息。

图2 基于介质超表面-双螺旋点扩散函数成像方法的三维实体成像实例。左:三维实体景象;右:深度信息获取。

传统的通过液晶空间光调制器来制造所需的特殊相位的方法不仅困难,而且效率低下。研究人员利用硅纳米圆盘超表面不仅能够极大地提高透射率(透射率高达96%),而且使得结构尺寸直接缩小至一层厚度仅相当于头发丝粗细五百分之一的“贴膜”。超表面不仅能够很好地替代传统光学元件,也可以进一步集成多个光学元件到超表面上。例如可以将该三维成像技术中的透镜以及所需的相位掩模整合到一个超表面上,从而进一步减小成像系统的尺寸并降低其成像的复杂度。展望未来,包括超表面技术在内的纳米光学技术的发展,将进一步推动三维成像设备向更轻、更快、更小、成本更低的方向前进。

背景介绍

三维成像技术能够保存物体三维空间信息与三维特征,突破了传统二维成像系统的局限,在三维打印、生物医学、人工智能驾驶等各个领域显示出越来越不可替代的作用。近年来,随着高清晰度高速传感器的出现以及计算机运算能力的提升,三维成像技术得到了深入的研究并被逐渐应用到多个领域中。

目前常见的三维成像技术包括全息三维成像技术、计算机层析成像、结构光三维成像技术等等。但是这些技术通常需要两步以上的成像过程,并且需要多个摄像头或者采用特殊的照明系统,大大增加了成像过程的复杂度以及成本。同时成像系统的尺寸过大,也不利于携带或集成于其它光电子设备。近年来随着光电子科学技术以及光子集成器件的飞速发展,如何使三维成像系统向高效集成器件方向转换日益显得重要。

超表面是基于惠更斯原理,通过设计特殊的“人工原子”,如纳米圆盘,按照一定的排列方式而构建成的二维超构材料,通过对平面内不同位置人工原子尺寸的精确设计,可以实现对局部电磁场偏振、振幅、相位等传播特性的有效调控,进而实现对电磁波波前自由而高效的调控。

介质超表面具有低损耗、易集成、制备工艺简单等优势,有望在纳米光子学领域发挥重大的应用,引起了越来越广泛的关注,成为近年来物理学、信息学、生物学、材料学以及相关交叉学科的研究热点。