Diseño de Metasuperficie

El principio de funcionamiento de los dispositivos sensibles al ángulo desarrollados en este trabajo se ilustra en la Fig. 2. El material activo fotodetector (un fotoconductor Ge) está recubierto con una metasuperficie compuesta que consiste en una película metálica apilada con un conjunto de nanopartículas metálicas rectangulares (NPs). La metasuperficie consta de tres secciones diferentes: un acoplador de rejilla periódico, un reflector de rejilla y un conjunto de ranuras a través de la película metálica subyacente. El oro se utiliza como material de elección para todas las características metálicas, debido a sus propiedades plasmónicas favorables en longitudes de onda infrarrojas15. También se introducen dos capas dieléctricas (SiO2) inmediatamente por debajo y por encima de la película Au, para proporcionar aislamiento eléctrico de la capa activa y para controlar el acoplamiento película-NP, respectivamente. Debido a que la película metálica es ópticamente gruesa (100 nm), la fotodetección solo puede tener lugar a través de un proceso indirecto donde la luz que incide en el ángulo deseado es difractada primero por el NPs (en la sección del acoplador de rejilla periódica) en polaritones plasmónicos de superficie (SPP), es decir, ondas electromagnéticas guiadas que se propagan a lo largo de la interfaz Au—aire. Un pequeño número de ranuras de longitud de onda inferior en la película metálica se utilizan para dispersar estos SPPs en la radiación que se propaga predominantemente en la capa activa absorbente. Como resultado, se produce una señal de fotocorriente entre dos electrodos sesgados ubicados a través de la metasuperficie.

a, b Ilustraciones esquemáticas de la geometría de la metasuperficie y el principio de funcionamiento. La luz que incide en el ángulo de detección deseado + θp (a) es difractada por el acoplador de rejilla en SPPs que se propagan hacia las ranuras, donde se dispersan preferentemente en el sustrato absorbente. La luz incidente en el ángulo opuesto-θp (b) es difractada por la matriz NP en SPPs que se propagan hacia el reflector de rejilla, donde se difractan de nuevo en radiación. La luz que incide en cualquier otro ángulo se refleja o difracta completamente lejos de la superficie. c Coeficiente de transmisión óptica calculado a λ0 = 1550 nm a través de seis metasuperficies diferentes para luz polarizada p versus ángulo de incidencia θ en el plano x-z. El período de acoplamiento de rejilla (número de NPs) varía de 1465 a 745 nm (15 a 29) en orden de aumento del ángulo de detección de picos. Los anchos de NP varían entre 250 y 570 nm. coeficiente de transmisión d–f de tres metasuperficies de c en función de ambos ángulos de iluminación θ polar y azimutal ϕ, sumados sobre polarizaciones xz e yz. En cada mapa, kx y ky son los componentes en el plano del sensor de ondas de luz incidente, y la escala de colores se normaliza al valor de transmisión máximo (MAX). En e, el círculo rojo sólido de radio kSPP indica los modos SPP disponibles en la superficie metálica superior; la línea curva discontinua resalta las direcciones de incidencia de la transmisión de picos; las flechas grises horizontales (con una longitud de 2π/Λ) ilustran cómo la incidencia de luz a lo largo de estas direcciones puede excitar los SPPs por difracción negativa de primer orden; y las flechas rojas muestran las direcciones de propagación de los SPPs excitados.

El ángulo de incidencia de detección de pico es controlado por la reja del acoplador período Λ. Específicamente, SPPs propagándose a lo largo de la dirección ∓x de la Fig. 2a, b se puede excitar a través de difracción de primer orden de la luz incidente (en el plano x-z) en los ángulos iguales y opuestos ±θp determinados por la condición de difracción (2πsinθp)/λ0–2π/Λ = − 2π/λSPP, donde λ0 y λSPP son las longitudes de onda de la luz incidente y las SPPs excitadas, respectivamente. La luz que incide en cualquier otro ángulo se refleja o difracta completamente lejos de la superficie (en particular, la excitación de SPPs por todos los órdenes superiores de difracción se evita manteniendo Λ más pequeño que λSPP). La detección selectiva de una sola dirección de incidente (p. ej., + θp) se obtiene rodeando el acoplador de rejilla con las ranuras en un lado (en la dirección-x) y el reflector de rejilla en el otro lado (en la dirección +x). El reflector es otro conjunto de NPs rectangulares diseñados para dispersar los SPPS entrantes en la luz que irradia lejos de la muestra cerca de la dirección normal de la superficie. Con esta disposición, los SPPs excitados por la luz incidente en +θp se propagan hacia las ranuras, donde se dispersan preferentemente en el sustrato y producen una fotocorriente (Fig. 2a y Película Complementaria 1). Los SPPs excitados por la luz incidente en-θp se propagan hacia el reflector de rejilla, donde se difractan de nuevo en el espacio libre (Fig. 2b y Película Complementaria 2). Como resultado, los fotodetectores recubiertos de metasuperficie son funcionalmente equivalentes a los omatidios del ojo compuesto de aposición, al tiempo que mantienen la geometría plana de las matrices de sensores de imagen estándar.

Las metasuperficies que acabamos de describir se basan en una serie de ideas clave de la plasmónica y la nanofotónica, aplicadas aquí a una nueva funcionalidad de dispositivo (filtrado direccional). En primer lugar, la capacidad de subwavelength rendijas de manera eficiente pareja SPPs a la radiación está bien establecida en el contexto de la óptica extraordinaria transmission16 y ya ha sido utilizada para diversos applications17,18,19. En detalle, cuando un SPP que se propaga en la superficie metálica superior alcanza los límites de la hendidura, se produce efectivamente una línea de dipolos oscilantes en el plano a través de la hendidura, que luego emitirá radiación que se propaga principalmente en el sustrato de índice superior. El mismo comportamiento en sentido inverso también se ha empleado para la excitación eficiente de SPPs en la superficie superior de una película metálica perforada, a través de la iluminación desde el lado detrás20,21,22. En segundo lugar,el diseño del reflector de rejilla se basa en la noción de metasuperficies con gradiente de fase linear23, 24, donde se utilizan células unitarias asimétricas compuestas para suprimir todos los órdenes de difracción q, excepto q = -1 (véanse la Nota Complementaria 2 y la Fig. 2). Como resultado, la transmisión SPP (que es equivalente a la difracción de orden cero) está efectivamente prohibida en esta matriz NP, de modo que los SPPs incidentes del acoplador de rejilla (como en la Fig. 2b) puede dispersarse completamente en radiación con el menor número posible de períodos. En una matriz de fotodetectores, cualquier SPP transmitido a través del reflector de un píxel puede dispersarse y detectarse en un píxel vecino. Por lo tanto, el uso de un gradiente de fase lineal es favorable para evitar señales de fotocorriente espurias producidas por el incidente de luz en −θp (ver Fig. 3). De manera similar, si se permitiera el orden q = +1, la luz incidente casi normal podría difractarse parcialmente por el reflector de rejilla en SPPs que también se propagan directamente en un píxel vecino, donde de nuevo podrían producir una señal no deseada (en contraste, cualquier SPP excitado en el reflector de rejilla por difracción q = -1 se propagará a lo largo de la dirección-x a través de toda la matriz NP, donde puede experimentar una atenuación casi completa a través de la absorción y la dispersión antes de alcanzar las ranuras del otro lado).

Se han diseñado varios dispositivos basados en la geometría que acabamos de describir, cada uno de los cuales proporciona fotodetección de picos en un ángulo diferente θp, utilizando simulaciones electromagnéticas de onda completa basadas en el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD). Además del período de acoplamiento de rejilla Λ, los parámetros clave de diseño incluyen el número de NPs (que se puede optimizar para la transmisión máxima de picos) y el ancho de NP (que se debe seleccionar para maximizar la eficiencia de difracción de rejilla, mientras que al mismo tiempo se evita cualquier acoplamiento significativo entre SPPs y resonancias plasmónicas localizadas soportadas por el NPs); se pueden encontrar más detalles en la Nota Complementaria 1 y la Fig.Suplementaria. 1. La figura 2c muestra el coeficiente de transmisión de potencia p-polarizado calculado para un conjunto de metasuperficies optimizadas a λ0 = 1550 nm, en función del ángulo polar de incidencia θ en el plano x–z (los parámetros geométricos pertinentes se enumeran en la Nota Complementaria 3 y en la Tabla Complementaria 1). Si las metasuperficies se fabrican en un material activo fotodetector, la señal detectada es proporcional a su coeficiente de transmisión. Los dispositivos de la Fig. por lo tanto, 2c puede proporcionar fotodetección direccional sintonizable, con un amplio rango de sintonía para el ángulo de detección de pico θp de ±75° y una resolución angular estrecha, que varía de 3° a 14° de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) a medida que se aumenta θp. El coeficiente de transmisión de pico Tp está en el rango de 35-45% para todos los diseños considerados, con una relación de fondo de pico a promedio de aproximadamente 6. De paso, debe tenerse en cuenta que en la estructura con θp = 0°, el acoplador de rejilla está rodeado por ranuras en ambos lados (ya que la respuesta angular deseada es simétrica), lo que lleva a un valor algo mayor de Tp. Para la luz polarizada en s, la transmisión a través de las mismas metasuperficies es isotrópica y significativamente más pequeña, < 0,2% en todos los ángulos (ver Fig. Suplementaria. 4 y debate infra).

Los patrones de respuesta angular completos de los mismos dispositivos se muestran en los mapas de color de la Fig. 2d-f y Suplemento Fig. 5, donde los coeficientes de transmisión de la metasuperficie (calculados con un método basado en la reciprocidad y sumados sobre ambas polarizaciones) se representan en función de los ángulos de iluminación θ polar y azimutal ϕ. En cada mapa, las direcciones de alta transmisión forman una región en forma de C dentro del hemisferio completo, lo que es indicativo de difracción de primer orden de la luz incidente en SPPs de diferentes sensores de onda kSPP. Específicamente, la forma de C está determinada por la distribución de espacios recíprocos de los modos SPP disponibles en λ0 (círculo rojo en la Fig. 2e), traducido por el vector de red \({\hat{\mathbf{x}}}\) 2π / Λ del acoplador de rejilla (como se muestra en las flechas horizontales de la misma figura). Este comportamiento aumenta claramente el rango de direcciones de incidente detectadas por cada píxel. Sin embargo, es importante destacar que las técnicas de imagen computacional descritas a continuación permiten reconstruir imágenes con mayor resolución en comparación con la selectividad angular de un solo píxel, si se combinan dispositivos con superposiciones adecuadas en sus respuestas angulares.

Para cualquier dirección de incidencia, la transmisión de metasuperficie para luz polarizada xz (p. ej., con campo eléctrico en el plano x-z) es de nuevo mucho más grande que para la luz polarizada yz (véase la Nota complementaria 4). Este comportamiento se origina en las propiedades de polarización de los SPPs. En general, los SPP poseen un componente de campo eléctrico en el plano que es paralelo a su dirección de propagación15. Por lo tanto, en la geometría en estudio, la luz incidente polarizada xz es más efectiva para propagar SPPs excitantes en un ángulo pequeño con respecto al eje x, y viceversa. En la misma geometría, donde las ranuras son lineales y orientadas a lo largo de la dirección y, solo SPPs con una x grande (i. e., perpendicular), el componente del campo eléctrico se puede acoplar de manera eficiente a la radiación mediante la excitación de dipolos oscilantes a través de las hendiduras mencionadas22. De estas consideraciones se desprende que los modos SPP que están más fuertemente dispersos por las ranuras en el sustrato absorbente también son excitados de manera más efectiva por la luz incidente polarizada xz (en comparación con la polarizada yz). Las mismas consideraciones también explican por qué la transmisión de la metasuperficie dentro de las regiones en forma de C de la Fig. 2d-f disminuye con el aumento del ángulo azimutal ϕ de la luz incidente: cuanto más grande sea el ERS, más pequeños serán los componentes x del KSPP del detector de ondas y el campo eléctrico de los SPPs excitados correspondientemente (ver flechas rojas en la Fig. 2e). La dependencia intrínseca de polarización de los dispositivos de la Fig. 2 limita su sensibilidad general para aplicaciones de imágenes típicas que involucran luz no polarizada. Al mismo tiempo, podría explotarse junto con técnicas computacionales de imagen para permitir la visión de polarización, que ofrece varias características deseables, como un deslumbramiento reducido y un contraste mejor25. Alternativamente, los fotodetectores sensibles a ángulos independientes de polarización también podrían diseñarse con metasuperficies más complejas, por ejemplo, utilizando matrices NP bidimensionales que permiten un control de polarización y fase independiente26,27.

Resultados experimentales

Las metasuperficies de la Fig. 2 se puede aplicar a cualquier tecnología de fotodetector plano independientemente de sus principios de funcionamiento. Aquí utilizamos fotoconductores Ge metal-semiconductor-metal (MSM), donde se recoge una señal de fotocorriente a través de dos electrodos sesgados depositados en la superficie superior de un sustrato Ge. La metasuperficie sensible al ángulo está modelada en la región activa entre los dos contactos metálicos. Mientras que los fotodiodos generalmente ofrecen un mayor rendimiento, los fotodetectores MSM son particularmente fáciles de fabricar y, por lo tanto, proporcionan una plataforma conveniente para investigar el desarrollo de la metasuperficie. Para simplificar las mediciones de fotocorriente resueltas en ángulo, también utilizamos áreas activas relativamente grandes: en cada dispositivo, la separación entre los dos electrodos es d ≈ 300 µm, y la metasuperficie consiste en unas pocas (5-6) repeticiones idénticas de una misma estructura basadas en el diseño de la Fig. 2a, con el reflector de rejilla de una sección inmediatamente adyacente a las ranuras de la siguiente sección. Las imágenes representativas de microscopía óptica y electrónica de barrido (SEM) se presentan en la Fig. 3, mostrando un dispositivo completo (Fig. 3a), una sección de metasuperficie (Fig. 3b), y un juego de ranuras (Fig. 3c).

imágenes ópticas a–c (a) y SEM (b, c) de muestras experimentales representativas. La barra de escala es de 100 µm en a, 4 µm en b y 2 µm en c. En a, toda la metasuperficie de un dispositivo completo se ve a través de una ventana Ti que cubre toda la muestra, que se introduce para evitar señales de fotocorriente espurias. La imagen de c se tomó antes de la fabricación de la matriz NP. d-g Midió la dependencia angular de la fotocorriente de cuatro dispositivos basándose en las estructuras de la Fig. 2, que proporciona respuesta máxima cerca de θp = 0° (d), 12° (e), 28° (f) y 65° (g). En cada gráfico, la fotocorriente se normaliza al valor máximo. Las imágenes SEM revelan algunas desviaciones en los períodos de matriz y los anchos de NP de sus valores de diseño de destino. Los valores medidos son Λ = 1440, 1180, 1030 y 775 nm y w = 240, 560, 526 y 256 nm para los dispositivos de los paneles d, e, f y g, respectivamente. escanea la línea h-k a lo largo de la dirección ϕ = 0° de los mapas de d-g, respectivamente. respuesta polarizada l p- (es decir, xz-) y s- (es decir, yz-) versus ángulo de incidencia polar en el plano x–z, medida con tres muestras diferentes: un dispositivo de referencia sin ninguna película metálica y matriz NP, y dos dispositivos recubiertos de metasuperficie que proporcionan detección de picos a θp = 12° y 65°, respectivamente. Los datos de origen de los paneles d a g se proporcionan como archivos de datos de origen.

Las mediciones de fotocorriente resueltas en ángulo con estos dispositivos muestran una respuesta altamente direccional de acuerdo con las simulaciones (Fig. 3d-k y Suplemento Fig. 8). En estas mediciones, cada dispositivo se ilumina con luz láser a una longitud de onda de 1550 nm, y los ángulos de incidencia polar y azimutal se varían, respectivamente, girando la óptica de enfoque alrededor de la muestra y girando la muestra alrededor de su superficie normal. Se registran dos mapas de respuesta angular ortogonalmente polarizados para cada muestra, y sus sumas se representan en la Fig. 3d-g. De acuerdo con la discusión anterior, los resultados de la medición indican que la señal de fotocorriente más fuerte se obtiene cuando la luz incidente está polarizada xz, mientras que la contribución polarizada yz es esencialmente insignificante (ver la Fig.Suplementaria. 7). Cada mapa de la Fig. 3 presenta la región esperada en forma de C de alta respuesta, centrada cerca del ángulo polar diseñado de transmisión máxima de la metasuperficie θp (0, 12, 28 y 65° para los paneles d, e, f y g, respectivamente). La selectividad de ángulo polar (FWHM) de los mismos dispositivos, medida a partir del corte de línea horizontal de ϕ = 0° de cada mapa mostrado en la Fig. 3h-k, está en el rango de 4-21° en orden de aumento de θp. La relación de fondo de pico a promedio es de ~3 para todos los dispositivos. Estas características medidas están razonablemente próximas a los valores calculados a partir de los resultados de simulación de la Fig. 2. Las diferencias observadas se deben principalmente a la presencia de cierta rugosidad superficial en las muestras experimentales (que puede dispersar parte de la luz incidente en SPPs independientemente de su dirección de propagación), así como pequeñas desviaciones en los períodos de matriz y anchos de NP (que afectan principalmente a θp). En cualquier caso, como se describe a continuación, estos valores experimentales ya son completamente adecuados para la reconstrucción de imágenes de alta calidad.

Para evaluar la transmisión máxima de las metasuperficies, también se fabricaron y probaron muestras desnudas idénticas sin película metálica y matriz NP entre los dos electrodos. La Figura 3l muestra la respuesta polarizada p y s con resolución de ángulo polar de una de esas muestras, junto con los datos medidos con dos dispositivos de metasuperficie. En sus ángulos de detección de pico de 12° y 65°, las responsividades polarizadas p de estos últimos dispositivos se reducen a ~42% y 36%, respectivamente, del valor correspondiente de la muestra desnuda, en excelente acuerdo con los resultados de simulación de la Fig. 2c. Desafortunadamente, una comparación cuantitativa más extensa entre todos los dispositivos experimentales de la Fig. 3 no es posible debido a las grandes variaciones en sus resistencias oscuras. Tales variaciones se observaron incluso entre diferentes muestras basadas en el mismo diseño (incluidas diferentes muestras desnudas), con una respuesta que aumenta constantemente con la resistencia oscura, y posiblemente sean causadas por defectos inducidos por la fabricación que afectan la densidad del portador o promueven fugas de corriente. Como resultado, en la Fig. 3l solo incluimos datos medidos con dispositivos con la misma resistencia oscura (~1,5 kΩ). También debe tenerse en cuenta que los valores de respuesta máxima por voltaje aplicado se muestran en la Fig. 3l (~10 mA W-1 V-1)son razonables para este tipo de fotodetectores, especialmente dada su gran separación entre electrodos d ≈ 300 µm, que limita la ganancia fotoconductiva (proporcional a 1/d2) 28.

Reconstrucción de imágenes

A continuación investigamos las capacidades de imagen de los fotodetectores sensibles al ángulo que acabamos de describir. Consideramos una arquitectura de cámara de ojo compuesto sin lentes que consiste en una matriz plana de estos dispositivos, con cada píxel que proporciona fotodetección direccional con un pico en una combinación diferente de ángulos polares y azimutales (θp y ϕp, respectivamente). El valor de θp se puede controlar variando el diseño del acoplador de rejilla, como se discutió anteriormente. Para un diseño fijo, el ϕp se puede variar simplemente girando toda la metasuperficie sobre su superficie normal en el fotodetector correspondiente. Utilizando esta disposición de píxeles, hemos llevado a cabo una serie de simulaciones numéricas mediante el siguiente modelo de formación de imágenes. Consideramos los objetos lo suficientemente alejados de la matriz de píxeles para que cada ángulo corresponda de manera única a un punto espacial diferente en el objeto (Fig. 4a). Cada píxel integra la intensidad total detectada de acuerdo con su respuesta angular. El proceso de formación de la imagen se puede describir mediante una ecuación de matriz lineal y = Ax, que relaciona la distribución de intensidad del objeto (x) con los datos capturados (y) por una matriz de detección (A) (Fig. 4b). La respuesta angular de cada píxel forma un vector de fila diferente de A, que cuantifica las contribuciones de intensidad a la señal de píxel desde diferentes puntos del objecto29. Para obtener la distribución de intensidad del objeto, realizamos una reconstrucción de imagen basada en la técnica de descomposición de valor singular truncado (TSVD) 30. El objeto estimado viene dado por \({\hat {\mathbf {x}}} = \mathop {\sum} \nolimits_ {l = 1}^L {\frac {1} {{\sigma _l}}} ({\mathbf {y}}, {\mathbf {u}}_l) {\mathbf {v}}_l\), donde ul y vl denotan el lth vector singular izquierdo y derecho, respectivamente, y σl es el valor singular correspondiente. L es un parámetro de regularización que define el número de vectores singulares utilizados en la solución TSVD, que se optimiza mediante ajuste manual basado en la inspección visual de la imagen reconstruida.

una ilustración Esquemática de la geometría de la imagen. Cada píxel integra la intensidad de la luz incidente desde diferentes direcciones de acuerdo con su respuesta angular. b Modelo de formación de imágenes. La medición de la matriz de píxeles se relaciona con el objeto mediante una ecuación lineal y = Ax, donde la matriz de detección A contiene las respuestas angulares de todos los píxeles. c-f Objeto representativo (c) y resultados de reconstrucción de imagen correspondientes a SNR = 56 dB (d–f). g-j Ejemplo de un objeto más complejo (g) y los resultados de reconstrucción de imagen correspondientes a SNR = 73 dB (h–j). La imagen original del camarógrafo (g) se utiliza con el permiso del propietario de los derechos de autor (Massachusetts Institute of Technology). Las imágenes de d, h se basan en los patrones de respuesta simulados de la Fig. 2 con una matriz de 6240 píxeles a λ0 = 1550 nm. Las imágenes de e e i se basan en los patrones experimentales de respuesta de la Fig. 3 con una matriz de 5280 píxeles a λ0 = 1550 nm. Las imágenes de f y j se basan en los patrones simulados bajo iluminación de banda ancha con ancho de banda δλ / λ0 = 10 % (f) y 5 % (j). El algoritmo de reconstrucción de imágenes se pone a disposición del público .

Con este enfoque, hemos validado la capacidad de nuestras metasuperficies diseñadas y fabricadas para permitir la reconstrucción de imágenes complejas. Para las estructuras diseñadas, la matriz de detección A se construye a partir de los mapas de respuesta angular calculados de la Fig. 2d-f y Suplemento Fig. 5, junto con sus interpolaciones para metasuperficies adicionales que proporcionan transmisión en pico a diferentes ángulos polares. El método para interpolar nuevas respuestas de píxeles se detalla en la Nota Complementaria 6, y varios ejemplos interpolados se muestran en las Figuras Complementarias. 9 y 10. El número requerido de píxeles diferentes se determina calculando la superposición de todas las respuestas de píxeles para garantizar una cobertura uniforme del campo de visión, y mediante simulaciones de imágenes adicionales (véanse la Nota Complementaria 7 y la Fig. 11). En base a este análisis, seleccionamos Δθp = 1.5° y ΔpP = 3° para los espaciamientos angulares entre las direcciones de detección de picos de píxeles consecutivos, que proporcionan una buena calidad de reconstrucción de imagen con un número razonablemente pequeño de píxeles (6240) que cubre el campo de visión completo de ±75° de las metasuperficies diseñadas. Con un espaciado mayor en θp, los resultados de la reconstrucción sufren de artefactos de flecos orientados radialmente debido a la falta de cobertura en las respuestas angulares. Con un mayor espaciado en ϕp, la resolución se degrada especialmente en las regiones de ángulo polar alto. Se utiliza un procedimiento similar con los mismos espaciamientos angulares para modelar los dispositivos experimentales, basado en los mapas de respuesta angular medidos de la Fig. 3d-g y Suplemento Fig. 8. El campo de visión para estas interpolaciones se reduce a ±65° (limitado por el ángulo polar máximo de detección de picos medido con las muestras actuales), abarcado por 5280 píxeles.

El ruido gaussiano blanco también se agrega a los datos capturados (los vectores y) para tener en cuenta el rendimiento realista del fotodetector (véase la Nota complementaria 8). En general, la relación señal / ruido (SNR) de una cámara CCD/CMOS está limitada por la carga de saturación (capacidad de pozo completo) de los píxeles individuales. Además, se puede aumentar (por un factor de \(\sqrt N\)) promediando las señales de (N) píxeles idénticos, a expensas de una disminución proporcional en la resolución y/o aumento en el área activa. Aquí utilizamos un SNR de un solo píxel de referencia de 56 dB (es decir, ysignal/ynoise = 631), como se informa en la literatura con tecnología CMOS estándar y diseños de circuitos optimizados, incluso para un tamaño de píxel tan pequeño como ~8 µm31,32. Además, también realizamos simulaciones para SNR = 63 y 73 dB, que se pueden lograr con matrices más grandes donde cada diseño de metasuperficie se aplica, respectivamente, a N = 5 y 50 píxeles, cuyas señales se agrupan y promedian. El número total de píxeles aumenta correspondientemente hasta aproximadamente 260.000 y 310.000 (para cámaras basadas en los dispositivos medidos y simulados, respectivamente, al SNR más alto de 73 dB), lo que todavía está dentro del rango de la tecnología CMOS actual. De paso, debe tenerse en cuenta que los mismos valores de SNR también se podrían lograr con varias otras combinaciones de número de píxeles, dimensiones de píxeles, capacidad de pozo completo y tamaño de contenedor N.

Las capacidades de imagen simulada de nuestros dispositivos se ilustran en la Fig. 4. La Figura 4c-f contiene los resultados obtenidos para un objeto relativamente simple (la señal de tráfico de límite de velocidad de la Fig. 4c), con una imagen del SNR basal de 56 dB. Un objeto más complejo (la imagen de cámara de la Fig. 4g) se considera en la Fig. 4g-j, imagen en el SNR más grande de 73 dB. Resultados de simulación para matrices derivadas de ambos calculados (Fig. 4d, h) y medidas (Fig. 4e, i) se presentan mapas de respuesta angular. En todos los casos se obtiene una reconstrucción de imagen de alta calidad, con las características clave de ambos objetos reproducidas fielmente. La comparación entre los resultados obtenidos con las respuestas angulares calculadas y medidas muestra una cierta pérdida de resolución en este último caso, causada por la menor selectividad angular y los niveles de fondo más altos de los mapas experimentales. En cualquier caso, estos datos demuestran claramente la capacidad de reconstruir imágenes bien reconocibles incluso en función de las características medidas de los dispositivos fabricados. Estas observaciones son confirmadas por extensas simulaciones llevadas a cabo con varios otros objetos de complejidad variable en diferentes SNR, como se muestra en la Fig. 12.

Finalmente, investigamos cómo las capacidades de imagen de los mismos dispositivos se ven afectadas por el ancho de banda óptico δλ de la luz incidente bajo iluminación policromática. Todos los mapas de respuesta angular empleados hasta ahora se calculan o miden a una sola longitud de onda, el valor de diseño del objetivo λ0 = 1550 nm. Al mismo tiempo, debido a la naturaleza difractiva de nuestras metasuperficies, se puede esperar que sus propiedades de transmisión varíen con la longitud de onda incidente. Sin embargo, es importante destacar que estas variaciones se pueden tener en cuenta en nuestro enfoque de imágenes computacionales, de modo que las imágenes bien reconocibles también se pueden reconstruir bajo iluminación policromática razonable con una pérdida de resolución relativamente pequeña. En particular, si el espectro incidente se extiende sobre un ancho de banda finito δλ, el efecto principal sobre la respuesta angular de cada dispositivo es un ensanchamiento proporcional δθp del pico de detección. Usando la condición de difracción anterior, encontramos δθp = δλ / λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, donde θp es el ángulo polar de detección de pico en λ0, y el índice efectivo de SPP nSPP = λ0 / λSPP es ~1.06 en los diseños de metasuperficie de la Fig. 2. Este ensanchamiento se puede incluir en las simulaciones de reconstrucción de imágenes a través de una convolución 2D entre la respuesta monocromática de píxeles y un núcleo de desenfoque gaussiano de anchura δθp. Ejemplos de imágenes obtenidas con este enfoque aplicado a los mapas simulados se muestran en la Fig. 4f, j, incluido el signo de límite de velocidad simple fotografiado con un ancho de banda δλ / λ0 del 10% a 56 dB SNR (Fig. 4f) y la imagen de cámara más compleja para δλ/λ0 = 5% y 73 dB SNR (Fig. 4j). Las características clave de ambos objetos se reproducen una vez más en las imágenes. Se pueden encontrar ejemplos adicionales en la Fig. 13. Las situaciones de imagen consideradas en estas simulaciones se pueden realizar en la práctica cubriendo toda la matriz de cámaras con un filtro de paso de banda de 155 o 77 nm de ancho de banda. Se podrían lograr anchos de banda de operación más grandes con una mayor calidad de imagen utilizando metasuperficies de gradiente más complejas, con elementos constitutivos diseñados para proporcionar la misma respuesta a múltiples longitudes de onda que en los trabajos recientes sobre los metales de banda ancha 33. Al mismo tiempo, también puede ser posible extraer información sobre la distribución de color del objeto caracterizando primero las respuestas espectrales de cada píxel, seguido de un procedimiento de reconstrucción de imágenes multicanal, similar a un trabajo reciente sobre imágenes en color basadas en óptica difractiva34.