[论文解读] 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 2

一句话总结

本文提出了一种MEMS可调谐超表面双合透镜，仅通过1 µm的膜片位移即可实现超过60屈光度的光学功率可调性，从而实现快速、电控的焦距调节。通过将超表面技术与MEMS技术相结合，该系统实现了紧凑、高速且灵活的对焦性能，适用于紧凑型显微镜和3D成像系统，扫描速度可达kHz级别。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统变焦和扫描系统中笨重、缓慢的变焦透镜的局限性。
• 开发一种利用亚波长相位控制的超表面实现紧凑、轻量化且电可调的透镜。
• 将MEMS驱动与超表面结合，实现在微型化平台上高速、大范围可调的对焦性能。
• 展示一种厚度约为1 mm、具有像场校正功能的显微镜，支持快速轴向扫描，适用于3D成像。

提出的方法

• 设计并制造一种由两个光刻定义的衍射元件组成的超表面双合透镜，以实现精确的相位分布控制。
• 将一个超表面元件集成到MEMS膜片上，实现亚微米精度的机械驱动。
• 采用静电驱动使膜片位移1 µm，从而引起光学功率的显著变化。
• 在超表面设计中采用亚波长分辨率，即使在极小的机械位移下也能实现高可调性。
• 集成第三个超表面元件以校正像场曲率，实现大校正视场（约500 µm或40°）。
• 在kHz频率下运行，以支持3D成像应用的实时轴向扫描。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在紧凑系统中利用超表面实现极小机械位移下的大光学功率可调性？
• RQ2 与传统折射式系统相比，MEMS集成如何提升基于超表面的透镜在性能和速度方面的表现？
• RQ3 多元素超表面系统能否在保持高可调性和紧凑性的同时校正像场曲率？
• RQ4 在亚微米驱动条件下，MEMS可调谐超表面双合透镜的最大光学功率可调性可达多少？
• RQ5 此类系统能否在厚度小于1 mm的器件中实现用于3D成像的快速轴向扫描？

主要发现

• MEMS可调谐超表面双合透镜仅通过1 µm的膜片位移即可实现超过60屈光度的光学功率可调性。
• 系统实现了kHz级别的运行，支持快速轴向扫描，适用于实时3D成像。
• 成功实现了一款总厚度约为1 mm的紧凑型显微镜，具有约500 µm或40度的校正视场。
• 在单芯片上集成多个超表面元件，实现了可扩展的多焦距距离扫描。
• 超表面与MEMS的结合催生了一类新型微光学-电子-机械系统（MOEMS），具备增强的功能性和更小的尺寸。
• 该系统在保持小尺寸的同时实现了高可调性和高速响应，其在尺寸、重量和响应时间方面优于传统折射式变焦透镜。