[論文レビュー] MEMS-tunable metasurface lens

Ehsan Arbabi, Amir Arbabi+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 54被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、膜の変位がたった1 µmで60ドイツ以上に光学パワーを可変できるMEMSチューナブルメタサーフェスデュアレットを提案している。これにより、高速で電気的に制御可能な焦点距離調整が可能となり、kHzレベルの走査速度を実現する小型顕微鏡や3次元イメージングシステムに応用できる。

ABSTRACT

Lenses with tunable focal length are widely used in zoom lenses and laser scanning imaging systems. They are generally implemented by changing the axial distance between the elements of a varifocal system of refractive lenses. However, conventional refractive elements are bulky and thick. Therefore tunable multi-element lenses are large, heavy, slow, require macroscopic movements, and have limited optical power tunability. Metasurfaces, a new category of lithographically defined diffractive devices, are on the other hand thin and lightweight, and their phase profiles can be engineered with subwavelength resolution. This enables agile varifocal lenses, with large tunability of the optical power even for minute changes of the axial distance. Here, we propose and demonstrate MEMS-based tunable metasurface doublets with more than 60 diopters (about 4%) change in the optical power upon a 1 um movement of a membrane with one of the metasurface elements. Several doublets can be integrated on the same chip to scan a large range of focal distances at frequencies reaching a few kHz. The doublet can also be integrated with a third metasurface element to make a compact microscope (~1 mm thick) with a large corrected field of view (~500 um or 40 degrees) and a fast axial scanning for 3D imaging. The results presented here pave the way towards metasurface-based optical systems with fast, electrically tunable focal and imaging distances. They also present an example of the potentials of integrating metasurfaces with the well-established MEMS technology to enable a new category of micro-opto-electromechanical systems (MOEMS) with enhanced functionalities and new applications.

研究の動機と目的

• ズームやスキャンシステムにおける大型で遅い従来の可変焦点レンズの限界を克服すること。
• 波長未満の位相制御を可能にするメタサーフェスを用いて、コンパクトで軽量かつ電気的に可変可能なレンズを開発すること。
• MEMS駆動をメタサーフェスと統合し、小型化されたプラットフォーム上で高速で大範囲の可変焦点を実現すること。
• 1 mmの厚さのフィールド補正付き顕微鏡を実現し、3次元イメージングに適した高速軸方向走査を可能とすること。

提案手法

• 精密な位相プロファイル制御を実現するため、リソグラフィーで定義された2つの回折素子を備えたメタサーフェスデュアレットの設計およびプロセス。
• MEMS膜に1つのメタサーフェス素子を統合し、サブミクロンの精度で機械的駆動を可能にする。
• 静電的駆動を用いて膜を1 µm変位させ、光学パワーの大きな変化を誘発する。
• メタサーフェス設計におけるサブ波長解像度の活用により、最小限の機械的移動でも高い可変性を達成する。
• フィールド曲率を補正し、広い補正フィールドオブビュー（約500 µmまたは40°）を実現するために、第3のメタサーフェス素子を統合する。
• kHz周波数での動作を実現し、3次元イメージングアプリケーションに適したリアルタイムの軸方向走査を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトなシステムにおいて、最小限の機械的変位でメタサーフェスを用いて大規模な光学パワー可変性を達成できるか？
• RQ2 MEMS統合は、従来の屈折型システムと比較して、メタサーフェスベースのレンズの性能と速度をどのように向上させるか？
• RQ3 複数素子のメタサーフェスシステムは、高い可変性とコンパクトネスを維持したままフィールド曲率を補正できるか？
• RQ4 サブミクロン駆動を用いたMEMSチューナブルメタサーフェスデュアレットで、実現可能な最大の光学パワー可変性はどの程度か？
• RQ5 このようなシステムは、1 mm未満の厚さのデバイスで、3次元イメージングに適した高速軸方向走査を可能にするか？

主な発見

• MEMSチューナブルメタサーフェスデュアレットは、膜の変位がたった1 µmで60ドイツを超える光学パワー可変性を達成した。
• システムはkHzレベルでの動作を示し、リアルタイム3次元イメージングに適した高速軸方向走査を実現した。
• 全厚さが約1 mmのコンパクトな顕微鏡が実現され、補正フィールドオブビューは約500 µmまたは40度であった。
• 1枚のチップ上に複数のメタサーフェス素子を統合することで、スケーラブルな複数焦点距離走査が可能になった。
• メタサーフェスとMEMSの組み合わせにより、機能性と小型化が向上した新しいクラスのマイクロオプトエレクトロメカニカルシステム（MOEMS）が実現された。
• システムは、小型化、軽量化、応答速度の面で、従来の屈折型可変焦点レンズを凌駆する高い可変性と高速性を維持した。