Metasurface design

princip fungování úhel-citlivé zařízení vyvinuté v této práci, je znázorněno na Obr. 2. Fotosnímač aktivní materiál (Ge fotoválce) je potažen kompozitní metasurface sestávající z kovové fólie naskládané s řadou obdélníkových kovových nanočástic (NPs). Metasurface obsahuje tři různé sekce-periodickou mřížkovou spojku—mřížkový reflektor, a sadu štěrbin skrz podkladovou kovovou fólii. Zlato se používá jako materiál pro výběr všech kovových prvků díky svým příznivým plazmonickým vlastnostem při infračervených vlnových délkách15. Dvě dielektrické vrstvy (SiO2) jsou také zavedeny bezprostředně pod a nad Au filmu, zajistit elektrická izolace z aktivní vrstvy a k ovládání film-NP spojovací, resp. Protože kovová vrstva je opticky tlustý (100 nm), photodetection se může uskutečnit pouze prostřednictvím nepřímé proces, kdy světlo dopadající na požadovaný úhel je první difrakci na NPs (v periodické mříže vazební člen oddílu) do surface plasmon polaritons (SPPs)—tj., vedené elektromagnetické vlny šířící se podél Au-air rozhraní. Malý počet subwavelength štěrbiny v kovu filmu jsou pak použity k rozptylu těchto SPPs do záření rozmnožovací převážně do absorpční aktivní vrstvy. Výsledkem je, že mezi dvěma předpjatými elektrodami umístěnými přes metasurface je produkován fotoproudý signál.

br. 2: úhlově citlivé metasurfaces.

a, b Schematické ilustrace metasurface geometrie a princip činnosti. Světlo dopadající na požadovanou detekční úhel +θp (a) difraktovaného u mřížky spojka do SPPs šíří směrem štěrbiny, kde jsou přednostně rozptýlené do absorpční substrátu. Světlo dopadající na protější úhel −θp (b) je difraktovaného do NP pole do SPPs rozmnožovací ke strouhání reflektoru, kde jsou difraktovaného záření zpět do. Světlo dopadající v jakémkoli jiném úhlu je místo toho zcela odrazeno nebo difraktováno od povrchu. C vypočítaný koeficient optického přenosu při λ0 = 1550 nm prostřednictvím šesti různých metasurfaces pro P polarizované světlo versus úhel dopadu θ na rovině x–z. Perioda roštové spojky (počet NPs) se pohybuje od 1465 do 745 nm (15 až 29) v pořadí podle rostoucího úhlu detekce píku. Šířky NP se pohybují mezi 250 a 570 nm. d–f prostupu tři metasurfaces od c jako funkce polárního θ a ϕ azimutální úhly osvětlení, shrnul více než xz a yz polarizace. V každé mapě jsou KX a ky komponenty v rovině vlnového vektoru dopadajícího světla a barevná stupnice je normalizována na maximální (MAX) přenosovou hodnotu. V e, plná červená kružnice poloměru kSPP označuje dostupné režimy SPP na horním kovovém povrchu; přerušovaná zakřivená čára zvýrazňuje dopadající směry špičkového přenosu; vodorovné šedé šipky (má délku 2π/Λ) ilustrují, jak se světlo dopadající podél těchto směrů může rozrušit SPPs negativní-první řád difrakce; a červené šipky ukazují směr šíření nadšený SPPs.

incident úhel detekce vrcholu je řízen mříže vazební období Λ. Konkrétně SPPs šířící se ve směru ∓x na obr. 2a, b mohou být nadšeni, přes první řád difrakce světla dopadajícího (na rovině x–z) na rovné a opačné úhly ±θp určuje difrakční podmínku (2πsinθp)/λ0 − 2π/Λ = −2π/λSPP, kde λ0 a λSPP jsou vlnové délky dopadajícího světla a nadšený SPPs, resp. Světlo dopadající na jakýkoliv jiný úhel je místo zcela odráží, nebo difraktovaného od povrchu (zejména excitaci SPPs všechny vyšší objednávky difrakce je vyhnout tím, že drží Λ menší než λSPP). Selektivní detekce pouze jednoho směru incidentu (např., +θp) se pak získá obklopením roštové spojky štěrbinami na jedné straně (ve směru-x) a mřížkovým reflektorem na druhé straně(ve směru +x). Reflektor je další pole pravoúhlých NP určených k rozptylu příchozích spp do světla vyzařujícího od vzorku v blízkosti normálního směru povrchu. S tímto uspořádáním, SPPs nadšeni tím, že dopadající světlo na +θp šířit směrem štěrbiny, kde jsou přednostně rozptýlené do substrátu a produkovat photocurrent (Obr. 2a a doplňkový Film 1). Na SPPs nadšeni tím, že dopadající světlo na −θp šířit směrem k roštu reflektoru, kde jsou difraktovaného zpět do volného prostoru (Obr. 2b a doplňkový film 2). Jako výsledek, metasurface potahované fotodetektory jsou funkčně ekvivalentní ommatidia z přístavku složené oko, při zachování rovinné geometrie standardní obrazové senzory.

metasurfaces právě popsal, se spoléhat na několik klíčových myšlenek z plasmonics a nanofotoniku, zde aplikovány na nové funkčnosti zařízení (směrové filtrování). Za prvé, schopnost subwavelength rozparky efektivně pár SPPs záření je dobře zaveden v rámci mimořádné optické transmission16 a již byl využíván pro různé applications17,18,19. V detailu, když SPP šíření na vrcholu kovový povrch dosáhne štěrbinou hranice, linie v rovině oscilující dipóly je efektivně produkoval přes štěrbiny, které pak emitují záření většinou rozmnožovací do vyšší index substrátu. Stejné chování v opačném směru byl také zaměstnán pro efektivní excitaci SPPs na horním povrchu perforované kovové fólie, přes osvětlení ze zadní side20,21,22. Za druhé, design roštu reflektor je založen na pojmu metasurfaces s lineární fáze gradient23,24, kde kompozitní asymetrické jednotky buňky se používají k potlačení všech objednávek difrakce q, s výjimkou pro q = -1 (viz Doplňková Poznámka 2 a Doplňkový Obr. 2). Výsledkem je, že přenos SPP (který je ekvivalentní difrakci nulového řádu) je v tomto poli NP účinně zakázán, takže dopadající SPPs z roštové spojky (jako na obr. 2b) může být zcela rozptýlena do záření s co nejmenším počtem period. V poli fotodetektoru může být jakýkoli SPP přenášený přes reflektor jednoho pixelu rozptýlen a detekován do sousedního pixelu. Použití lineární fáze gradient je proto výhodné, aby se zabránilo rušivé photocurrent signály produkované světlo dopadající na −θp (viz. Doplňující Obr. 3). Podobně, je-li q = +1, aby bylo dovoleno, v blízkosti-normální dopadajícího světla by mohlo být částečně difrakci na mřížkových reflektor do SPPs také rozmnožovací přímo do sousední pixel, kde opět mohou produkovat nežádoucí signál (v kontrastu, žádné SPP nadšený do mřížky reflektor q = -1 difrakce se bude šířit podél −x směr přes celý NP pole, kde můžete zažít téměř kompletní útlum prostřednictvím absorpce a rozptyl před dosažením rozparky na druhé straně).

Několik zařízení založené na geometrii právě popsal, z nichž každý poskytuje špičkový photodetection v jiném úhlu θp, byly navrženy pomocí full-wave elektromagnetické simulace založené na konečných diferencí v časové oblasti (FDTD) metoda. Kromě mříže vazební období Λ, hlavní konstrukční parametry patří počet NPs (který může být optimalizován pro maximální přenos) a NP šířka (která by měla být zvolena tak, aby maximalizovat mřížky difrakční účinnosti, zatímco ve stejnou dobu, vyhnout se žádné významné spojení mezi SPPs a lokalizované plazmové rezonance podporované NPs); více informací lze nalézt v Doplňkové Poznámce 1 a Doplňkový Obr. 1. Obrázek 2c ukazuje, že vypočtená p-polarizované přenos síly součinitel pro sadu optimalizované metasurfaces na λ0 = 1550 nm jako funkce polárního úhlu dopadu θ na rovině x–z (příslušné geometrické parametry jsou uvedeny v Doplňkové Poznámce 3 a Doplňující Tabulka 1). Pokud jsou metasurfaces vyrobeny na aktivním materiálu fotodetektoru, detekovaný signál je úměrný jejich přenosovému koeficientu. Zařízení podle obr. 2c proto může poskytnout laditelné směrové photodetection, široký rozsah ladění pro úhel detekce vrcholu θp ±75° a úzké úhlové rozlišení, v rozmezí od 3° do 14° full-width-at-half-maximum (FWHM) jako θp je zvýšená. Vrchol převodovka koeficient Tp je v rozmezí 35-45% pro všechny vzory za špička-průměr-pozadí poměr asi 6. Mimochodem, je třeba poznamenat, že ve struktuře s θp = 0°, mříže vazební člen je obklopen rozparky na obou stranách (od požadované úhlové odpověď je symetrická), což vede k poněkud větší hodnotu Tp. Pro y-polarizované světlo, přenos přes stejné metasurfaces je izotropní a významný menší, <0.2% ve všech úhlech (viz. Doplňující Obr. 4 a diskuse níže).

úplné vzory Úhlové odezvy stejných zařízení jsou uvedeny v barevných mapách na obr. 2d-f a doplňkový obr. 5, kde metasurface přenosové koeficienty (počítačová s vzájemnosti-metoda založená na a shrnul přes obě polarizace) jsou vyneseny jako funkce polárního θ a ϕ azimutální úhly osvětlení. V každé mapě, směry vysoké přenosové tvoří C-tvar regionu v plné polokouli, což je příznačné pro první řád difrakce dopadajícího světla do SPPs různých wavevectors kSPP. Konkrétně je tvar C určen vzájemným rozložením dostupných režimů SPP v λ0 (červený kruh na obr. 2e), přeloženo mřížkovým vektorem \({\hat{\mathbf{x}}}\)2π/Λ mřížkové spojky (jak je znázorněno vodorovnými šipkami na stejném obrázku). Toto chování jasně zvyšuje rozsah dopadajících směrů detekovaných každým pixelem. Důležitější je, nicméně, výpočetní zobrazovací techniky popsané níže umožňují rekonstruovat obraz s vyšším rozlišením ve srovnání se single-pixel úhlové selektivity, pokud zařízení s odpovídajícími přesahy v jejich úhlové odpovědi jsou kombinovány.

pro jakýkoli směr incidentu je přenos metasurface pro xz-polarizované světlo (tj., s elektrickým polem v rovině x–z) je opět mnohem větší než u YZ-polarizovaného světla (viz doplňková Poznámka 4). Toto chování pochází z polarizačních vlastností SPPs. Obecně platí, že spp mají součást elektrického pole v rovině, která je rovnoběžná se směrem jejich šíření15. Proto, v geometrii, v rámci studie, xz-polarizované dopadající světlo je nejúčinnější na vzrušující SPPs rozmnožovací pod malým úhlem vzhledem k ose x, a vice versa. Ve stejné geometrii, kde jsou štěrbiny lineární a orientované ve směru y, pouze SPPs s velkým x (tj., kolmo) složka elektrického pole může být účinně spojena do záření prostřednictvím výše uvedeného buzení oscilačních dipólů přes štěrbiny22. To vyplývá z těchto úvah, že SPP módy, které jsou více silně rozptýlené štěrbiny do absorpční substrátu jsou také efektivněji nadšeni xz-polarizované (ve srovnání s yz-polarizované) dopadajícího světla. Tytéž úvahy také vysvětlují, proč je metaspovrchový přenos v oblastech ve tvaru písmene C podle obr. 2d-f klesá se zvyšujícím se azimutálním úhlem ϕ dopadajícího světla: větší ϕ, menší x-součásti pro vlnový vektor kSPP a elektrického pole obdobně nadšený SPPs (viz červené šipky na Obr. 2e). Vnitřní polarizační závislost zařízení podle obr. 2 omezuje jejich celkovou citlivost pro typické zobrazovací aplikace zahrnující nepolarizované světlo. Současně by mohlo být využito ve spojení s výpočetními zobrazovacími technikami k umožnění polarizačního vidění, které nabízí několik žádoucích vlastností, jako je snížené oslnění a zlepšený kontrast25. Alternativně by polarizační nezávislé fotodetektory citlivé na úhel mohly být také navrženy se složitějšími metasurfaces, např. pomocí dvourozměrných NP polí, která umožňují nezávislé fázové a polarizační řízení26,27.

experimentální výsledky

metasurfaces z obr. 2 lze aplikovat na jakoukoli planární fotodetektorovou technologii bez ohledu na její provozní principy. Zde používáme GE fotovodiče kov-polovodič-kov (MSM), kde se fotoproudový signál shromažďuje přes dvě předpjaté elektrody uložené na horním povrchu GE substrátu. Metasurface citlivý na úhel je vzorován na aktivní oblasti mezi dvěma kovovými kontakty. Zatímco fotodiody obecně nabízejí vyšší výkon, MSM fotodetektory jsou velmi jednoduché na výrobu, a proto poskytují pohodlné platformy, aby prošetřila metasurface rozvoj. Pro zjednodušení úhel-vyřešen photocurrent měření, můžeme také použít poměrně velké aktivní oblasti: v každém zařízení, vzdálenost mezi dvěma elektrodami je d ≈ 300 µm, a metasurface se skládá z několika (5-6) identické opakování stejné struktury založené na konstrukci Obr. 2a, s mřížkovým reflektorem jednoho úseku bezprostředně sousedícím se štěrbinami dalšího úseku. Reprezentativní obrazy optické a rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) jsou uvedeny na obr. 3, znázorňující kompletní zařízení (obr. 3a), metaspovrchová část (obr. 3b) a sadu štěrbin (obr. 3c).

br. 3: výsledky měření.

–. c Optické (a) a SEM (b, c) obrazy zástupce experimentální vzorky. Měřítko stupnice je 100 µm v a, 4 µm v b a 2 µm v c. V celé metasurface kompletní zařízení je vidět přes Ti okno pokrývající celý vzorek, který je zaveden, aby se zabránilo rušivé photocurrent signály. Obrázek c byl pořízen před výrobou pole NP. d-g měřila úhlovou závislost fotoproudu čtyř zařízení na základě struktur z obr. 2, poskytující maximální odezvu poblíž θp = 0° (d), 12° (e), 28° (f) a 65° (g). V každém grafu je fotoproud normalizován na špičkovou hodnotu. Sem obrázky odhalují některé odchylky v periodách pole a šířkách NP od jejich cílových návrhových hodnot. Naměřené hodnoty jsou Λ = 1440, 1180, 1030, a 775 nm a w = 240, 560, 526, a 256 nm pro zařízení panelů, d, e, f, a g, resp. linie h-k skenuje podél směru ϕ = 0° z map D–g, resp. l p- (tj. xz-) a s- (tj. yz-) polarizační responsivity versus polární úhel dopadu na rovině x–z, měří se tři různé vzorky: referenční zařízení bez kovové fólie a NP pole, a dva metasurface potahované zařízení poskytující peak detekce na θp = 12° a 65°, respektive. Zdrojová data pro panely d-g jsou poskytována jako zdrojové datové soubory.

Úhel-vyřešen photocurrent měření s těmito zařízeními show vysoce směrové odezvy v dobré shodě se simulací (Obr. 3d-K a doplňkový obr. 8). V těchto měření, každé zařízení je osvětlen laserovým světlem na vlnové délce 1550 nm, a polární a azimutální úhly dopadu jsou různé, v tomto pořadí, otáčením se zaměřením optika o vzorku a otáčením vzorku o jeho povrch normální. Pro každý vzorek jsou zaznamenány dvě ortogonálně polarizované mapy Úhlové odezvy, a jejich součty jsou vyneseny na obr. 3d–g. V souladu s výše uvedené diskuse, výsledky měření ukazují, že nejsilnější photocurrent signál je získán, když dopadajícího světla je xz-polarizované, vzhledem k tomu, yz-polarizační příspěvek je v podstatě zanedbatelné (viz. Doplňující Obr. 7). Každá mapa obr. 3 představuje očekávanou oblast ve tvaru písmene C s vysokou citlivostí, vystředěnou poblíž navrženého polárního úhlu maximálního přenosu povrchu θp (0, 12, 28 a 65° pro panely d, e, f A g). Selektivita polárního úhlu (FWHM) stejných zařízení, měřená z vodorovného řezu ϕ = 0° na každé mapě znázorněné na obr. 3h-k, je v rozmezí 4-21° v pořadí zvýšení θp. Poměr peak-to-average-pozadí je ~3 pro všechna zařízení. Tyto měřené charakteristiky jsou přiměřeně blízké vypočteným hodnotám z výsledků simulace na obr. 2. Pozorované rozdíly jsou hlavně v důsledku přítomnosti některé drsnost povrchu v experimentální vzorky (které mohou rozptýlit některé z dopadajícího světla do SPPs bez ohledu na jeho směr šíření), stejně jako drobné odchylky v poli období a NP šířky (většinou ovlivňuje θp). V každém případě, jak je popsáno níže, jsou tyto experimentální hodnoty již plně adekvátní pro vysoce kvalitní rekonstrukci obrazu.

pro vyhodnocení špičkového přenosu metasurfaces byly také vyrobeny a testovány jinak identické holé vzorky bez jakéhokoli kovového filmu a NP pole mezi oběma elektrodami. Obrázek 3l ukazuje polární úhel-vyřešen p – a s-polarizované responsivity jednoho takového vzorku, spolu s data naměřená s dvěma metasurface zařízení. Na jejich úhly detekce vrcholu 12° a 65°, p-polarizované responsivities druhé zařízení je snížena na ~42% a 36%, respektive, odpovídající hodnota z holé vzorku, ve vynikající shodě s výsledky simulace Obr. 2c. Bohužel, rozsáhlejší kvantitativní srovnání mezi experimentální zařízení Obr. 3 není možné kvůli velkým změnám v jejich tmavých odporech. Tyto změny byly pozorovány i u různých vzorků založena na stejném designu (včetně různých holé vzorků), s responsivity trvale rostoucí s tmavě odolnost, a jsou pravděpodobně způsobeny výroba-indukované defekty, které ovlivňují dopravce hustota nebo podpoře úniku proudu. Výsledkem je, že na obr. 3l zahrnujeme pouze data měřená se zařízeními se stejným tmavým odporem (~1,5 kΩ). Je třeba také poznamenat, že hodnoty špičkové citlivosti na použité napětí uvedené na obr. 3l (~10 mA W−1 V−1) jsou přiměřené pro tento typ fotodetektory, a to zejména vzhledem k jejich velké inter-elektrodové oddělení d ≈ 300 µm, což omezuje světlocitlivý zisk (úměrná 1/d2)28.

rekonstrukce obrazu

dále zkoumáme zobrazovací schopnosti právě popsaných fotodetektorů citlivých na úhel. Domníváme se, že lensless složené oko kamery, sestávající ze rovinné pole těchto zařízení, přičemž každý pixel poskytuje směrové photodetection vyvrcholila na různé kombinace polární a azimutální úhly (θp a ϕp, respektive). Hodnota θp může být řízena změnou konstrukce roštové spojky, jak je uvedeno výše. U pevné konstrukce se může měnit pouhým otočením celé metasurface o její povrch na příslušném fotodetektoru. Pomocí tohoto uspořádání pixelů jsme provedli řadu numerických simulací pomocí následujícího modelu tvorby obrazu. Objekty považujeme za dostatečně vzdálené od pole pixelů, takže každý úhel jednoznačně odpovídá jinému prostorovému bodu na objektu (obr. 4a). Každý pixel integruje celkovou detekovanou intenzitu podle jeho Úhlové odezvy. Proces tvorby obrazu pak může být popsán lineární maticovou rovnicí y = Ax, která spojuje rozložení intenzity objektu (x)se zachycenými daty (y) snímací maticí (a) (obr. 4b). Úhlová odezva každého pixelu tvoří jiný řádkový vektor A, který kvantifikuje příspěvky intenzity k pixelovému signálu z různých bodů na objektu29. Pro získání distribuce intenzity objektu provádíme rekonstrukci obrazu na základě techniky rozkladu zkrácené singulární hodnoty (TSVD) 30. Odhadované objektu je dána tím, že \({\hat{\mathbf{x}}} = \mathop{\sum}\nolimits_{l = 1}^L {\frac{1}{{\sigma _l}}} ({\mathbf{y}},{\mathbf{u}}_l){\mathbf{v}}_l\), kde ul a vl označení lth levé a pravé singulární vektor, respektive, a σl je odpovídající singulární hodnotou. L je regularizační parametr definující počet singulárních vektorů použitých v řešení TSVD, který je optimalizován ručním laděním na základě vizuální kontroly rekonstruovaného obrazu.

br. 4: sběr dat a rekonstrukce obrazu.

Schematické znázornění zobrazovací geometrie. Každý pixel integruje dopadající intenzitu světla z různých směrů podle jeho Úhlové odezvy. b model tvorby obrazu. Měření pixel-array souvisí s objektem lineární rovnicí y = Ax, kde snímací matice a obsahuje Úhlové odezvy všech pixelů. C-f reprezentativní objekt (c) a odpovídající výsledky rekonstrukce obrazu při SNR = 56 dB (d-f). G-j příklad složitějšího objektu (g) a odpovídající výsledky rekonstrukce obrazu při SNR = 73 dB (h-j). Původní kameraman obraz (g) se používá se svolením jeho vlastníka autorských práv (Massachusetts Institute of Technology). Obrazy d, h jsou založeny na simulovaných vzorcích odezvy na obr. 2 s polem 6240 pixelů při λ0 = 1550 nm. Obrazy e a i jsou založeny na experimentálních vzorcích odezvy na obr. 3 s polem 5280 pixelů při λ0 = 1550 nm. Obrazy f A j jsou založeny na simulovaných vzorcích pod širokopásmovým osvětlením s šířkou pásma δλ/λ0 = 10% (f) a 5 % (j). Algoritmus rekonstrukce obrazu je veřejně dostupný .

S tímto přístupem, máme ověřena schopnost obou našich navrženy a vyrobeny metasurfaces umožnit komplexní obraz rekonstrukci. Pro navržené struktury je snímací matice a konstruována z vypočtených map Úhlové odezvy na obr. 2d-f a doplňkový obr. 5, spolu s jejich interpolacemi pro další metasurfaces zajišťující vrcholový přenos v různých polárních úhlech. Způsob interpolace nových odezev pixelů je podrobně popsán v doplňkové poznámce 6 a několik interpolovaných příkladů je znázorněno na doplňkových obr. 9.a 10. Požadovaný počet různých Pixelů se stanoví výpočtem superpozice všech odezev pixelů, Aby se zajistilo rovnoměrné pokrytí zorného pole, a pomocí dalších zobrazovacích simulací (viz doplňková Poznámka 7 a doplňkový obr. 11). Na základě této analýzy vybereme Δθp = 1.5° a Δϕp = 3° pro úhlové rozteče mezi směry detekce vrcholu po sobě jdoucích pixelů, které poskytují dobrý obraz rekonstrukci kvality s přiměřeně malý počet pixelů (6240) pokrývající celé ±75° field-of-pohled na navržený metasurfaces. Při větších rozestupech v ČR dochází k rekonstrukci radiálně orientovaných okrajových artefaktů kvůli chybějícímu pokrytí v úhlových odezvách. S většími rozestupy v .p se rozlišení zhoršuje zejména v oblastech s vysokým polárním úhlem. Podobný postup se stejnými úhlovými rozestupy se používá k modelování experimentálních zařízení na základě naměřených map Úhlové odezvy na obr. 3d-g a doplňkový obr. 8. Zorné pole pro tyto interpolace je sníženo na ±65° (omezeno maximálním polárním úhlem detekce píku naměřeným u přítomných vzorků)o 5280 Pixelů.

bílý gaussovský šum je také přidán do zachycených dat (vektory y), aby se zohlednil realistický výkon fotodetektoru (viz doplňková Poznámka 8). Obecně je poměr signálu k šumu (SNR) kamery CCD/CMOS omezen saturačním nábojem (plná kapacita studny) jednotlivých pixelů. Navíc, to může být zvýšena (o faktor \(\sqrt N\)) v průměru signály (N) identických bodů, na úkor odpovídající snížení rozlišení a/nebo zvýšení aktivní oblasti. Ysignal / ynoise = 631), jak je uvedeno v literatuře se standardní technologií CMOS a optimalizovanými návrhy obvodů, a to i pro rozteč pixelů tak malou jako ~8 µm31,32. Navíc, jsme také provádět simulace pro SNR = 63 a 73 dB, který může být dosaženo s větší pole, kde každý metasurface design je aplikován, respektive, pro N = 5 a 50 pixelů, jejichž signály jsou pak vykázáni společně a průměru. Celkový počet pixelů odpovídajícím způsobem zvyšuje až na asi 260.000 a 310,000 (pro kamery založené na naměřených a simulovaných zařízení, respektive na nejvyšší SNR 73 dB), což je stále dobře v dosahu stávající technologie CMOS. Mimochodem, je třeba poznamenat, že stejný SNR hodnoty by mohlo být dosaženo s několika dalšími kombinace počet pixelů, pixel rozměry, kapacitu, a bin velikosti N.

simulované zobrazovací schopnosti našeho zařízení jsou znázorněny na Obr. 4. Obrázek 4c-f obsahuje výsledky získané pro relativně jednoduchý objekt (Dopravní značka omezení rychlosti na obr. 4c), zobrazeno na výchozí hodnotě SNR 56 dB. Složitější objekt (kameramanský snímek z obr. 4g) je považován na obr. 4g-j, zobrazeno při větším SNR 73 dB. Výsledky simulace pro pole odvozené z obou vypočtených (obr. 4d, h) a měřeno (obr. 4E, i) jsou prezentovány mapy Úhlové odezvy. Vysoce kvalitní rekonstrukce obrazu je dosažena ve všech případech, přičemž klíčové vlastnosti obou objektů jsou věrně reprodukovány. Srovnání získaných výsledků s vypočtenými versus naměřené úhlové odpovědí ukazuje některé ztráty rozlišení v druhém případě, způsobené nižší úhlové selektivity a vyšší úrovně pozadí experimentální mapy. V každém případě tato data jasně prokazují schopnost rekonstruovat dobře rozpoznatelné obrazy i na základě naměřených charakteristik vyrobených zařízení. Tato pozorování jsou potvrzena rozsáhlými simulacemi prováděnými s několika dalšími objekty s různou složitostí při různých SNR, jak je znázorněno na doplňkovém obr. 12.

Konečně, jsme zkoumat, jak zobrazovací schopnosti přístroje jsou ovlivněny optická šířka pásma δλ dopadajícího světla pod polychromatického osvětlení. Všechny dosud používané mapy Úhlové odezvy jsou buď vypočteny nebo měřeny na jedné vlnové délce-Cílová konstrukční hodnota λ0 = 1550 nm. Ve stejnou dobu, vzhledem k difrakční povaze našich metasurfaces, lze očekávat, že jejich přenosové vlastnosti se budou lišit s dopadající vlnovou délkou. Důležité však je, že tyto variace mohou být zohledněny v našem výpočetním zobrazovacím přístupu, takže dobře rozpoznatelné obrazy mohou být také rekonstruovány za přiměřeně polychromatického osvětlení pouze s relativně malou ztrátou rozlišení. Zejména pokud dopadající spektrum sahá přes konečnou šířku pásma δλ, hlavním účinkem na úhlovou odezvu každého zařízení je proporcionální rozšíření δθp detekčního vrcholu. Pomocí difrakční podmínka výše, najdeme δθp = δλ/λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, kde θp je polární úhel detekce vrcholu v λ0, a SPP efektivní index nSPP = λ0/λSPP je ~1.06 v metasurface vzorů z Obr. 2. Takové rozšíření může být zahrnuta v obraze-rekonstrukce simulace prostřednictvím 2D konvoluce mezi monochromatické odezvy pixelů a Gaussovské rozmazání jádro šířka δθp. Příklady obrazů získaných tímto přístupem aplikovaných na simulované mapy jsou uvedeny na obr. 4f, j, včetně jednoduchého znaku omezení rychlosti zobrazeného s šířkou pásma δλ/λ0 10% při 56-dB SNR (obr. 4f) a složitější kameraman obraz δλ / λ0 = 5% a 73-dB SNR (obr. 4j). Klíčové vlastnosti obou objektů jsou opět dobře reprodukovány v obrazech. Další příklady lze nalézt v doplňkovém obr. 13. Zobrazovací situacích za těchto simulací mohou být realizovány v praxi tím, pokrývající celý fotoaparát pole s band-pass filtr 155 – nebo 77-nm šířku pásma. Větší operace s šířkou pásma vyšší kvalita obrazu může být dosaženo použitím více komplexní gradient metasurfaces, s prvky navrženy tak, aby poskytují stejné odpovědi na více vlnových délkách jako v posledních pracovat na širokopásmové metalenses33. Ve stejné době, to může být také možné extrahovat některé informace o objektu je barva rozdělení podle první charakterizující spektrální odezvy pro každý pixel následuje multi-channel image obnovu řízení, podobně jako na nedávné práce na difrakční-optika-založené barvy imaging34.