[论文解读] Wide Field-of-View, Large-Area Long-wave Infrared Silicon Metalenses

Hung‐I Lin, Jeffrey A. Geldmeier+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用 3

一句话总结

该论文展示了一种在浮区硅片上通过可扩展的光刻和深反应离子束蚀刻技术制造的宽视场（140°）、大面阵（直径 >4 cm）长波红外（LWIR，8–12 μm）金属透镜。该设计采用单层超表面并搭配ZnSe间隔层，实现衍射极限性能，支持单色、大角度热成像，且彗差像差极小，展示了在体积小、结构紧凑方面对传统LWIR光学器件的实用替代方案。

ABSTRACT

Long-wave infrared (LWIR, 8-12 $μm$ wavelengths) is a spectral band of vital importance to thermal imaging. Conventional LWIR optics made from single-crystalline Ge and chalcogenide glasses are bulky and fragile. The challenge is exacerbated for wide field-of-view (FOV) optics, which traditionally mandates multiple cascaded elements that severely add to complexity and cost. Here we designed and experimentally realized a LWIR metalens platform based on bulk Si wafers featuring 140$^\circ$ FOV. The metalenses, which have diameters exceeding 4 cm, were fabricated using a scalable wafer-level process involving photolithography and deep reactive ion etching. Using a metalens-integrated focal plane array, we further demonstrated wide-angle thermal imaging.

研究动机与目标

• 为解决传统长波红外光学器件体积大、易碎、成本高的问题，特别是在大视场（WFOV）应用中表现尤为突出。
• 通过开发单体金属透镜架构，克服大视场LWIR系统中彗差像差和光学透过率低的挑战。
• 利用标准硅基工艺实现大面阵LWIR金属透镜的可扩展、晶圆级制造。
• 利用浮区硅材料抑制与氧相关的吸收，实现在LWIR波段的高成像质量和效率。
• 通过集成金属透镜的焦平面阵列，实现实际的大角度热成像。

提出的方法

• 基于波前像差最小化原理，采用解析模型设计大视场金属透镜，特别针对像方远心行为进行优化。
• 通过公式 φ(s) = (2π/λ) ∫₀ˢ [ -sinα(s) - (s-d)/√(f² + (s-d)²) ] ds 构建相位分布，该公式考虑了主光线的角向依赖性和焦斑位置。
• 在浮区硅片上构建超表面，以最小化9 μm波长处的氧杂质吸收，从而提升LWIR波段的透射性能。
• 实施两种设计：一种为气隙结构，另一种为ZnSe间隔层结构，以提升波前质量和视场性能。
• 采用大面积光刻和优化的深反应离子束蚀刻（DRIE）工艺制造金属透镜，实现高深宽比纳米结构，覆盖宽相位范围。
• 通过10.6 μm CO₂激光和干涉波前传感，对点扩散函数（PSFs）和调制传递函数（MTF）进行实验表征，验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层硅基金属透镜是否能在长波红外波段实现140°视场，同时保持衍射极限性能？
• RQ2 在大视场金属透镜中，与气隙结构相比，ZnSe间隔层如何改善波前质量和成像性能？
• RQ3 浮区硅片在多大程度上可抑制与氧相关的吸收，从而实现大面阵金属透镜在高效LWIR传输中的应用？
• RQ4 集成金属透镜的焦平面阵列能否实现大角度热成像，且图像拼接最少、保真度高？
• RQ5 与传统多元素复合透镜相比，大视场金属透镜系统在光学复杂度、透过率和成像质量之间存在何种权衡？

主要发现

• 金属透镜实现了超过4 cm直径的140°圆形视场，显著推进了大视场LWIR光学的发展。
• 采用ZnSe间隔层的金属透镜在10.6 μm波长下实现衍射极限性能，实测MTF值与仿真预测一致，证实了高光学效率。
• 在不同入射角下的实验点扩散函数测量结果与仿真高度一致，验证了整个视场范围内解析设计模型的准确性。
• 成功利用ZnSe金属透镜与微测辐射热计集成实现热成像，捕获了100°视场下穿孔卡片的图像，图案清晰可辨。
• 通过传感器横向移动和图像拼接，实现了大像面的完整覆盖，证实了单个金属透镜实现大面阵成像的可行性。
• 使用浮区硅有效抑制了9 μm氧吸收带，实现了LWIR波段的高透射率，同时保持与标准半导体工艺的兼容性。