[论文解读] A single-layer panoramic metalens with > 170{\deg} diffraction-limited field of view

Mikhail Y. Shalaginov, Sensong An+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 52被引用 5

一句话总结

该论文提出了一款单层全景超表面透镜，其衍射极限视场角超过170°，通过设计基于赫兹伯格超原子的超表面，校正了宽角度范围内的三阶赛德尔像差（彗差、像散、场曲），实现了前所未有的宽角、无像差聚焦与成像。该单片式平面化设计在5.2 µm波长下实现了超薄、宽角光学系统的关键进展。

ABSTRACT

Wide-angle optical functionality is crucial for implementation of advanced imaging and image projection devices. Conventionally, wide-angle operation is attained by complicated assembly of multiple optical elements. Recent advances in nanophotonics have led to metasurface lenses or metalenses, a new class of ultra-thin planar lenses utilizing subwavelength nanoantennas to gain full control of the phase, amplitude, and/or polarization of light. Here we present a novel metalens design capable of performing diffraction-limited focusing and imaging over an unprecedented > 170 degree angular field of view (FOV). The lens is monolithically integrated on a one-piece flat substrate and involves only a single layer of metasurface that corrects third-order Seidel aberrations including coma, astigmatism, and field curvature. The metalens further features a planar focal plane, which enables considerably simplified system architectures for applications in imaging and projection. We fabricated the metalens using Huygens meta-atoms operating at 5.2 micron wavelength and experimentally demonstrated aberration-free focusing and imaging over the entire FOV. The design concept is generic and can be readily adapted to different meta-atom geometries and wavelength ranges to meet diverse application demands.

研究动机与目标

• 克服传统金属透镜在实现宽角、衍射极限性能方面的根本限制。
• 消除宽视场光学系统中对多组元或曲面结构的依赖。
• 实现一种平面化、单片式金属透镜，具有平坦焦平面，从而简化成像与投影系统中的集成。
• 展示一种适用于不同超原子几何形状与红外波段的通用设计方法。

提出的方法

• 通过基于赫兹伯格超原子设计单层超表面，实现角度相关的相位调控，以校正宽角波前畸变。
• 采用源自斜入射波前方程的非均匀相位分布，校正彗差、像散与场曲。
• 利用基尔霍夫衍射积分模型模拟并预测全视场波前传播及在平面焦平面上的光强分布。
• 通过电子束光刻与热蒸发工艺在单块熔融石英基底上集成光阑，实现金属透镜的制备。
• 利用5.2 µm激光与液氮冷却的InSb焦平面阵列，测量从0°到85°入射角范围内的聚焦光斑性能。
• 通过使用USAF分辨率测试靶在斜入射条件下验证成像能力，证实了高保真度的图像重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层平面金属透镜能否在视场角超过170°的范围内实现衍射极限聚焦？
• RQ2 如何在无多层或曲面基底的单片式平坦金属透镜中校正三阶赛德尔像差？
• RQ3 在中红外波段，单个超表面层可实现的最大衍射极限视场角是多少？
• RQ4 能否在如此宽广的视场角下保持平面焦平面，以简化下游光学集成？
• RQ5 该设计在多大程度上可推广至其他超原子几何形状与波长范围？

主要发现

• 该金属透镜在视场角超过170°的范围内实现了衍射极限聚焦，Strehl比高于0.85，表明在所有测量角度下均实现无像差性能。
• 器件保持了平面焦平面，可直接与平坦探测器或发射器阵列集成，无需复杂的光学重新配置。
• 在宽视场角范围内，聚焦效率在32%至45%之间，显著高于以往的单层金属透镜。
• 成像实验证实，即使在高达85°的斜入射角度下，仍能高保真度地重建细小特征（15.6 µm条纹）。
• 在5.2 µm波长下，通过1 mm直径、2 mm焦距的金属透镜，采用赫兹伯格超原子结构，实验验证了该设计。
• 通用设计原理被证明可适配不同超原子形状与红外波段，展现出广泛的应用潜力。