[论文解读] Angle-insensitive spectral imaging based on topology-optimized plasmonic metasurfaces

Jiawei Yang, Kaiyu Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于拓扑优化的等离子体超表面设计，可在450–750 nm波段实现30°视场角的角无关光谱成像。通过设计具有偏振平均、抗角度变化的光谱滤波超表面单元，该方法在光谱重建中实现了98%的保真度，克服了传统片上光谱相机受角度敏感性限制的瓶颈。

ABSTRACT

On-chip spectral imaging based on engineered spectral modulation and computational spectral reconstruction provides a promising scheme for portable spectral cameras. However, the angle dependence of modulation units results in the angle sensitivity of spectral imaging, which limits its practical applications. Here, we proposed a design for angle-robust spectral recovery based on a group of topology-optimized plasmonic metasurface units under a 30° field-of-view, and demonstrate angle-insensitive on-chip spectral imaging in the wavelength range of 450 to 750 nm for average polarization. Furthermore, we experimentally verified the angle-insensitive spectral filtering effects of the fabricated metasurface units, and demonstrated angle-robust spectral reconstruction with a fidelity of 98%. Our approach expands the application scale of spectral imaging, and provides a guidance for designing other angle-robust devices.

研究动机与目标

• 解决由光谱调制单元的角依赖性引起的片上光谱成像系统角度敏感性问题。
• 通过在大视场角范围内实现抗角度的光谱响应，实现实用化、便携式光谱成像。
• 通过实验验证，在不同入射角度下实现高保真度的光谱重建。
• 为其他光子器件提供可扩展的角无关超表面设计框架。

提出的方法

• 采用拓扑优化设计等离子体超表面单元，使其在30°视场角内保持一致的光谱滤波响应。
• 通过工程化设计使超表面单元呈现偏振平均响应，降低角度依赖性。
• 应用计算光谱重建算法，从抗角度变化的调制数据中恢复光谱。
• 对制备的超表面在不同入射角度下进行实验测试，验证其角无关滤波性能。
• 针对可见光谱范围（450–750 nm）进行优化，重点实现宽带、高保真度的光谱响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于拓扑优化的等离子体超表面是否能在可见光范围内实现角无关光谱滤波？
• RQ2 超表面的偏振平均响应如何影响光谱成像中的角度鲁棒性？
• RQ3 在不同入射角度下，光谱重建保真度能维持到何种程度？
• RQ4 该设计可实现角无关性能的最大视场角是多少？

主要发现

• 基于拓扑优化的等离子体超表面在30°视场角内表现出角无关光谱滤波特性。
• 实验结果证实，超表面单元在不同入射角度下均保持一致的光谱响应。
• 所有测试角度下的光谱重建保真度达到98%，展现出高度鲁棒性。
• 与传统设计相比，偏振平均响应显著降低了角度依赖性。