Metasurface design

tässä työssä kehitettyjen kulmaherkkien laitteiden toimintaperiaate on esitetty kuvassa. 2. Valodetektorin aktiivinen materiaali (GE-valojohdin) on päällystetty komposiittimateriaalilla, joka koostuu metallikalvosta, joka on pinottu suorakulmaisilla metallisilla nanohiukkasilla (NPS). Metasurface koostuu kolmesta eri osasta-jaksollinen ritiläkytkin, ritilä heijastin, ja joukko rakoja läpi metallikalvo. Kultaa käytetään kaikkien metallisten ominaisuuksien valintamateriaalina johtuen sen suotuisista plasmonisista ominaisuuksista infrapuna-aallonpituuksilla 15. Kaksi dielektristä kerrosta (SiO2) otetaan myös käyttöön välittömästi AU-kalvon alapuolella ja yläpuolella, jotta saadaan sähköeristystä aktiivisesta kerroksesta ja ohjataan filmi-NP-kytkintä vastaavasti. Koska metallikalvo on optisesti paksu (100 nm), fotodetektio voi tapahtua vain epäsuorassa prosessissa, jossa NPS (jaksollisessa ritiläkytkinosassa) diffraktioi ensin haluttuun kulmaan kohdistuvan valon pintaplasmon—polaritoneiksi (spp)-eli ohjatuiksi sähkömagneettisiksi aalloiksi, jotka etenevät AU-air-rajapintaa pitkin. Tämän jälkeen käytetään pientä määrää metallikalvossa olevia alikaihtimia hajottamaan nämä Hiukkassuodattimet säteilyksi, joka etenee pääasiassa absorboivaan aktiiviseen kerrokseen. Tämän seurauksena fotovirta signaali tuotetaan kahden puolueellinen elektrodit sijaitsevat koko metasurface.

a, b Kaaviokuvat metasurfacen geometriasta ja toimintaperiaatteesta. Valotapahtuma halutussa havaitsemiskulmassa + θp (a) diffraktioidaan ritiläkytkimellä rakoja kohti eteneviksi spp: ksi, jossa ne hajaantuvat mieluiten absorboivaan alustaan. Vastakkaisessa kulmassa oleva valotapahtuma −θp (b) diffraktioituu NP-ryhmän toimesta spp: ksi, joka etenee kohti ritiläheijastinta, jossa ne diffraktioituvat takaisin säteilyksi. Valo tapahtuma missä tahansa muussa kulmassa on sen sijaan täysin heijastuu tai diffracted pois pinnasta. c laskettu optinen siirtokerroin aallonpituudella λ0 = 1550 nm kuuden eri metasurfacen kautta p polarisoituneelle valolle verrattuna kohtauskulmaan θ X-z-tasolla. Ritiläkytkimen jakso (NPs: n lukumäärä) vaihtelee välillä 1465-745 nm (15-29) huippuilmaisukulman kasvaessa. NP-leveydet vaihtelevat 250 ja 570 nm välillä. d-f siirtokerroin on kolme metasurfacea C: stä sekä polaaristen θ-ja atsimutaali ϕ-valaistuskulmien funktiona, summattuna xz – ja yz-polarisaatioiden yli. Jokaisessa kartassa KX ja ky ovat tapahtumavalon wavevektorin tasokomponentteja, ja väriasteikko normalisoidaan maksimaaliseen (MAX) lähetysarvoon. E, solid red circle of radius kSPP osoittaa käytettävissä spp tilat top metallipinta; dashed kaareva viiva korostaa tapaus suuntiin huippu siirto; vaakatasossa olevat harmaat nuolet (joiden pituus on 2π/Λ) havainnollistavat, miten näissä suunnissa tapahtuva valo voi herättää spp: t negatiivisella ensimmäisen kertaluvun diffraktiolla, ja punaiset nuolet osoittavat kiihtyneiden spp: iden etenemissuunnat.

piikkien havaitsemiskulmaa säädetään Ritiläkytkinjaksolla Λ. Erityisesti spp etenee pitkin ∓x suuntaan viikuna. 2a, b voidaan virittää ensimmäisen kertaluvun valon tapahtuman diffraktiolla (X-z-tasolla) diffraktioehdon (2πsinθp)/λ0 − 2π/Λ = −2π/λSPP määrittämillä samansuuruisilla ja vastakkaisilla kulmilla ±θp, missä λ0 ja λSPP ovat tapahtuman valon aallonpituudet ja vastaavasti kiihtyneet spp: t. Kaikissa muissa kulmissa tapahtuva valotapahtuma sen sijaan heijastuu tai diffraktoituu kokonaan pois pinnasta (erityisesti kaikkien korkeampien diffraktioluokkien aiheuttama spp: n eksitaatio vältetään pitämällä Λ suppeampana kuin λSPP). Vain yhden tapahtumasuunnan valikoiva havaitseminen (esim., + θp) saadaan sitten ympäröimällä ritiläkytkin raoilla toisella puolella (−x-suunnassa) ja ritiläheijastin toisella puolella (+x-suunnassa). Heijastin on toinen suorakaiteen muotoinen NPs-sarja, joka on suunniteltu sirottamaan saapuvat spp: t valoon, joka säteilee pois näytteestä lähellä pinnan normaalia suuntaa. Tämän järjestelyn, spp innoissaan tapaus valo + θp etenevät kohti rakoja, jossa ne ovat ensisijaisesti hajallaan substraattiin ja tuottaa valo virtaa (Kuva. 2a ja täydentävä elokuva 1). Kohtausvalon kiihdyttämät spp: t at −θp etenevät kohti ritiläheijastinta, jossa ne hajaantuvat takaisin vapaaseen tilaan (Kuva. 2b ja täydentävä Elokuva 2). Tämän seurauksena metasurface-pinnoitetut valodetektorit vastaavat toiminnallisesti appositiosilmän ommatidia säilyttäen samalla standardikuvaanturijärjestelmien tasomaisen geometrian.

juuri kuvatut metasurfacet perustuvat useisiin plasmoniikan ja nanofotoniikan avainideoihin, joita tässä sovelletaan uudenlaiseen laitteen toiminnallisuuteen (suuntasuodatus). Ensinnäkin se, pystyvätkö alikantaiset raot tehokkaasti yhdistämään spp: t säteilyyn, on vakiintunut poikkeuksellisen optisen transmission16 yhteydessä, ja sitä on jo hyödynnetty erilaisissa sovelluksissa17, 18 ja 19. Yksityiskohtaisesti, kun spp lisääntyminen ylimmällä metallipinnalla saavuttaa raon rajat, rivi tasossa värähteleviä dipoleja tuotetaan tehokkaasti raon poikki, joka sitten lähettää säteilyä enimmäkseen etenevät korkeamman indeksin substraattiin. Sama käyttäytyminen käänteisesti on myös käytetty tehokas heräte spp on yläpinnan rei ’ itetty metallikalvo kautta Valaistus takasivu20, 21,22. Toiseksi ritiläheijastimen rakenne perustuu käsitteeseen metasurfaces, joissa on lineaarinen faasigradient23, 24, jossa komposiittirakenteisia epäsymmetrisiä yksikkökennoja käytetään tukahduttamaan kaikki diffraktioluokat q, paitsi Q = -1 (KS.lisähuomautus 2 ja täydentävä Kuva. 2). Tämän seurauksena SPP siirto (joka vastaa nolla-kertaluvun diffraktio) on tehokkaasti kielletty tässä NP array, niin että tapaus spp päässä ritilä liitin (kuten kuvassa. 2b) voidaan hajottaa kokonaan säteilyksi mahdollisimman pienellä jaksomäärällä. Fotodetektoriryhmässä yhden pikselin heijastimen yli lähetetyt SPP: t voidaan sirotella ja havaita viereiseen pikseliin. Lineaarisen faasigradientin käyttö on siis suotuisaa, jotta vältetään valotapahtuman tuottamat väärät valosignaalit −θp: ssä(KS. 3). Samoin, jos Q = +1 järjestys sallittaisiin, lähes normaali tapahtuma valo voitaisiin osittain diffract ritilä heijastin osaksi spp myös etenee suoraan naapurimaiden pikseli, jossa taas ne voisivat tuottaa ei-toivottua signaalia (sitä vastoin kaikki spp kiihtynyt ritilä heijastin Q = -1 diffraktio etenee pitkin −x suuntaan koko NP array, jossa se voi kokea lähes täydellinen vaimennus kautta absorptio ja sironta ennen saavuttaa rakoja toisella puolella).

useita juuri kuvattuun geometriaan perustuvia laitteita, joista jokainen tarjoaa huippuvalotunnistuksen eri kulmassa θp, on suunniteltu käyttäen äärellisen differenssin aikadomaanimenetelmään (finite difference time domain, fdtd) perustuvia sähkömagneettisia täysaaltosimulaatioita. Ritiläkytkimen jakson Λ lisäksi keskeisiä suunnitteluparametreja ovat NPS: n määrä (joka voidaan optimoida huippusiirron maksimoimiseksi) ja NP: n leveys (joka olisi valittava ritilän diffraktiotehokkuuden maksimoimiseksi, samalla kun vältetään merkittävä kytkentä spp: n ja NPS: n tukemien paikallisten plasmoniresonanssien välillä); lisätietoja löytyy Lisähuomautuksesta 1 ja täydentävästä kuvasta. 1. Kuvassa 2C esitetään laskettu p-polarisoitunut tehonsiirtokerroin joukolle optimoituja metasurfaaseja aallonpituudella λ0 = 1550 nm polaarisen kohtauskulman θ funktiona X–z-tasolla (asiaankuuluvat geometriset parametrit on lueteltu lisähuomautuksessa 3 ja täydentävässä taulukossa 1). Jos metasurfaces on valmistettu valodetektorin aktiivisesta materiaalista, havaittu signaali on verrannollinen niiden lähetyskertoimeen. Laitteet Fig. 2c voi siis tarjota viritettävän suunnatun valotunnistuksen, jossa on laaja viritysalue piikin havaitsemiskulmalle θp ±75° ja kapea Kulmaresoluutio, joka vaihtelee 3°: sta 14°: seen täysleveys-at-puoli-maksimi (FWHM) θp: n kasvaessa. Huippuvaihteistokerroin Tp on 35-45% kaikissa tarkastelluissa malleissa, ja huippu-keskiarvo-Tausta-suhde on noin 6. Ohimennen on huomattava, että rakenteessa, jossa θp = 0°, ritiläkytkintä ympäröivät raot molemmin puolin (koska haluttu kulmavaste on symmetrinen), mikä johtaa jonkin verran suurempaan Tp-arvoon. S-polarisoidun valon läpäisy samojen metasurfaasien läpi on isotrooppista ja huomattavasti pienempää, <0,2% kaikissa kulmissa (KS. 4 ja keskustelu alla).

samojen laitteiden täydet kulmavastauskuviot on esitetty Fig: n värikarttoihin. 2d-f ja täydentävä Kuva. 5, jossa metasurface transmission kertoimia (lasketaan vastavuoroisuuteen perustuva menetelmä ja summataan yli molemmat polarizations) piirretään funktiona polar θ ja atsimutaali ϕ Valaistus kulmat. Jokaisessa kartassa suuren lähetyksen suunnat muodostavat C: n muotoisen alueen koko pallonpuoliskon sisällä, mikä on osoitus siitä, että kohdevalon ensimmäisen kertaluvun diffraktio eri aaltovektorien Kspp: ksi. Erityisesti C-muoto määräytyy käytettävissä olevien spp-moodien keskinäisavaruusjakauman mukaan λ0: ssä (punainen ympyrä Kuvassa. 2e), joka on käännetty ritiläkytkimen hilavektorilla \({\hat{\mathbf{x}}}\) 2π/Λ (kuten samassa kuvassa olevat vaakanuolet osoittavat). Tämä käyttäytyminen lisää selvästi kunkin pikselin havaitsemien tapahtumasuuntien valikoimaa. On kuitenkin tärkeää, että alla kuvatut laskennalliset kuvantamistekniikat mahdollistavat kuvien rekonstruoinnin suuremmalla resoluutiolla kuin yhden pikselin kulmaselektiivisyys, jos laitteet, joilla on asianmukaiset päällekkäisyydet kulmavastauksissa, yhdistetään.

missä tahansa tapahtumasuunnassa metasurface transmission XZ-polarisoidulle valolle (ts., jossa sähkökenttä on X-z-tasossa) on jälleen paljon suurempi kuin yz-Polarisoidussa valossa (KS.lisähuomautus 4). Tämä käyttäytyminen on peräisin spp: n polarisaatio-ominaisuuksista. Yleensä spp: llä on tasossa oleva sähkökenttäkomponentti, joka on yhdensuuntainen niiden kasvusuunnan15 kanssa. Siksi tutkimuksen kohteena olevassa geometriassa xz-polarisoitunut tapahtumavalo on tehokkainta jännittävässä spp: ssä, joka etenee pienessä kulmassa x-akselin suhteen ja päinvastoin. Samassa geometriassa, jossa raot ovat lineaarisia ja suuntautuvat y-suuntaan, vain spp: t, joilla on suuri x (ts., perpendicular) osa Sähkökentän voidaan tehokkaasti kytkeä säteilyn kautta edellä magnetointi värähtelevien dipolien poikki rakoja22. Näistä seikoista seuraa, että spp-tilat, jotka ovat voimakkaammin hajallaan rakojen absorboivaan alustaan, ovat myös tehokkaammin innoissaan xz-polarisoidusta (verrattuna yz-polarisoituneeseen) tapahtumavalosta. Samat näkökohdat selittävät myös sen, miksi metasurface transmission sisällä C-muotoinen alueilla Fig. 2D-f pienenee valon atsimutaalikulman ϕ kasvaessa: mitä suurempi ϕ, sitä pienemmät ovat wavevektorin kSPP: n X-komponentit ja vastaavasti kiihtyneiden spp: iden sähkökenttä (KS.punaiset nuolet Kuvassa. 2 e). Fig: n laitteiden luontainen polarisaatioriippuvuus. 2 rajoittaa niiden yleistä herkkyyttä tyypillisille kuvantamissovelluksille, joissa on aurinkopaneeli. Samalla sitä voitaisiin hyödyntää yhdessä laskennallisten kuvantamistekniikoiden kanssa polarisaationäön mahdollistamiseksi, mikä tarjoaa useita toivottavia ominaisuuksia, kuten vähentää häikäisyä ja parantaa contrast25: tä. Vaihtoehtoisesti polarisaatio riippumaton kulma-herkkä valodetektorit voitaisiin myös suunnitella monimutkaisempia metasurfaces, esim. käyttämällä kaksiulotteinen NP-matriiseja, jotka mahdollistavat riippumattoman vaihe-ja polarisaatiokontrolli26, 27.

kokeelliset tulokset

viikunan metasurfaces. 2 voidaan soveltaa mihin tahansa tasomaiseen valodetektoriteknologiaan riippumatta sen toimintaperiaatteista. Tässä käytämme metalli-semiconductor-metal (MSM) GE-valojohtimia, joissa valokennosignaali kerätään kahden puolueellisen elektrodin yli, jotka on talletettu GE-substraatin yläpinnalle. Kulmaherkkä metasurface on kuvioitu kahden metallikosketuksen välisellä aktiivisella alueella. Vaikka fotodiodeilla on yleensä parempi suorituskyky, MSM-valodetektorit ovat erityisen yksinkertaisia valmistaa ja tarjoavat siten kätevän alustan tutkia metasurface-kehitystä. Kulma-ratkaistujen valokäyrämittausten yksinkertaistamiseksi käytämme myös suhteellisen suuria aktiivisia alueita: kussakin laitteessa kahden elektrodin välinen ero on D ≈ 300 µm, ja metasurface koostuu muutamasta (5-6) identtisestä toistosta samasta rakenteesta, joka perustuu Fig: n suunnitteluun. 2a, jossa yhden osan ritiläheijastin on välittömästi seuraavan osan rakojen vieressä. Edustava optinen ja pyyhkäisyelektronimikroskopia (sem) kuvat on esitetty kuvassa. 3, osoittaa täydellinen laite (Kuva. 3a), metasurface-osa (Kuva. 3b), ja joukko rakoja (Kuva. 3c).

a–c Optiset (A) ja sem (b, c) kuvat edustavista koenäytteistä. Asteikko on 100 µm a: ssa, 4 µm b: ssä ja 2 µm c: ssä. Vuonna a Koko metasurface täydellinen laite nähdään läpi Ti-ikkuna, joka kattaa koko näytteen, joka otetaan käyttöön välttää vääriä valokennosignaaleja. C: n kuva on otettu ennen NP: n valmistusta. d-g mitattu kulmariippuvuus valovirta neljän laitteen perustuu rakenteisiin Fig. 2, jolloin vastehuippu on lähellä θp = 0° (d), 12° (e), 28° (f) ja 65° (g). Jokaisessa kuvaajassa fotovirta normalisoidaan huippuarvoon. Sem-kuvat paljastavat joitain poikkeamia array-jaksoissa ja NP-leveydissä niiden kohdesuunnitteluarvoista. Mitatut arvot ovat Λ = 1440, 1180, 1030 ja 775 nm ja W = 240, 560, 526 ja 256 nm paneelien d, e, f ja g laitteille. H-k-viiva skannaa ϕ = 0° – suuntaisesti D–g: n kartoista vastaavasti. l p – (eli xz -) ja S – (eli yz–) polarisoitunut vaste polaariseen kohtauskulmaan x-z-tasolla mitattuna kolmella eri näytteellä: vertailulaite, jossa ei ole metallikalvoa ja NP-ryhmää, ja kaksi metasurface-pinnoitettua laitetta, jotka antavat huippuilmaisun arvossa θp = 12° ja 65°. Paneelien D–g lähdetiedot toimitetaan Lähdetietotiedostoina.

Kulmalähestyneet valokäyrämittaukset näillä laitteilla osoittavat hyvin suunnatun vasteen hyvässä yhteisymmärryksessä simulaatioiden kanssa (kuva. 3d-k ja täydentävä Kuva. 8). Näissä mittauksissa kukin laite valaistaan laservalolla 1550 nm: n aallonpituudella, ja polaari-ja atsimutaalikulmiot vaihtelevat vastaavasti pyörittämällä tarkennusoptiikkaa näytteen ympärillä ja pyörittämällä näytettä sen pinnan normaalilla. Jokaisesta näytteestä kirjataan kaksi ortogonaalisesti polarisoitunutta kulma-vastekarttaa, ja niiden summat piirretään kuvioon. 3D-g. edellä esitetyn mukaisesti mittaustulokset osoittavat, että voimakkain fotovirta-signaali saadaan, kun tapahtuma-valo on xz-polarisoitunut, kun taas yz-polarisoitunut osuus on olennaisesti merkityksetön (katso täydentävä Kuva. 7). Jokainen kartta Fig. 3 sisältää odotetun C-muotoisen alueen, jolla on suuri vaste, keskitettynä lähelle suunniteltua napakulmaa metasurface transmission θp (0, 12, 28 ja 65° paneeleille d, e, f ja g). Samojen laitteiden polaarikulman selektiivisyys (FWHM) mitattuna kunkin kuviossa esitetyn kartan vaakasuorasta viivasta ϕ = 0°. 3h-k, on välillä 4-21° kasvamisjärjestyksessä θp. Peak-to-average-background-suhde on ~3 kaikilla laitteilla. Nämä mitatut ominaisuudet ovat kohtuullisen lähellä Fig: n simulointituloksista saatuja laskettuja arvoja. 2. Havaitut erot johtuvat useimmiten siitä, että kokeellisissa näytteissä on jonkin verran pinnan karheutta (joka voi sirotella osan kohdevalosta spp: ksi sen etenemissuunnasta riippumatta), sekä pienistä poikkeamista array-jaksoissa ja NP-leveyksissä (vaikuttaa enimmäkseen θp: hen). Joka tapauksessa, kuten jäljempänä kuvataan, nämä kokeelliset arvot ovat jo täysin riittäviä korkealaatuisen kuvan rekonstruktioon.

metasurfacesin huippusiirron arvioimiseksi valmistettiin ja testattiin myös muuten identtisiä paljaita näytteitä, joissa ei ollut metallikalvoa ja kahden elektrodin välistä NP-ryhmää. Kuvassa 3l esitetään yhden tällaisen näytteen polaarikulma-ratkaistut p-ja s – polarisoituneet vasteet sekä kahdella metasurface-laitteella mitatut tiedot. 12°: n ja 65°: n huippuilmaisukulmissa jälkimmäisten laitteiden p-Polarisoidut vasteet vähenevät ~42%: iin ja 36%: iin paljaasta näytteestä saadusta vastaavasta arvosta erinomaisessa yhteisymmärryksessä Fig: n simulaatiotulosten kanssa. 2C. valitettavasti laajempi kvantitatiivinen vertailu kaikkien kokeellisten laitteiden Fig. 3 ei ole mahdollista, koska niiden tumma vastukset vaihtelevat suuresti. Tällaisia vaihteluita havaittiin jopa eri näytteissä, jotka perustuivat samaan malliin (mukaan lukien erilaiset paljaat näytteet), ja vaste lisääntyi jatkuvasti pimeän vastuksen myötä, ja ne johtuivat mahdollisesti valmistuksen aiheuttamista vioista, jotka vaikuttavat kantoaaltotiheyteen tai edistävät vuotoa. Tämän seurauksena, in Fig. 3l sisällytämme vain tiedot, jotka on mitattu laitteilla, joissa on sama tumma vastus (~1,5 kΩ). On myös huomattava, että huippuvasteen arvot sovellettua jännitettä kohti on esitetty kuvassa. 3l (~10 mA W−1 V-1)ovat kohtuullisia tämän tyyppisille valodetektoreille, erityisesti kun otetaan huomioon niiden suuri elektrodien välinen erottaminen D ≈ 300 µm, joka rajoittaa valojohtavaa vahvistusta (suhteessa 1/d2) 28.

Kuvan rekonstruktio

seuraavaksi tutkitaan juuri kuvattujen kulmaherkkien valodetektorien kuvantamiskykyä. Pidämme lensless yhdiste-Eye kamera arkkitehtuuri koostuu tasomainen joukko näitä laitteita, jossa jokainen pikseli tarjoaa suuntaavan valotunnistuksen huipussaan eri yhdistelmä polar ja atsimutaali kulmat (θp ja ϕp, vastaavasti). Θp: n arvoa voidaan ohjata muuttamalla ritiläkytkimen rakennetta, kuten edellä on esitetty. Kiinteässä rakenteessa ϕp: tä voi vaihdella yksinkertaisesti pyörittämällä koko metasurface noin pintansa normaalina vastaavalla valodetektorilla. Tätä pikselijärjestelyä käyttäen olemme tehneet sarjan numeerisia simulaatioita seuraavalla kuvanmuodostusmallilla. Pidämme objekteja riittävän kaukana pikselin array niin, että jokainen kulma vastaa yksikäsitteisesti eri spatiaalinen piste objektin (Fig. 4 A). Jokainen pikseli yhdistää havaitun kokonaisvoimakkuuden sen kulmavasteen mukaan. Kuvanmuodostusprosessia voidaan sitten kuvata lineaarisella matriisiyhtälöllä y = Ax, joka suhteuttaa objektin intensiteettijakauman (x) aistivalla matriisilla (a) (Fig. 4b). Kunkin pikselin kulmavaste muodostaa A: n eri rivivektorin, joka kvantifioi pikselisignaalin intensiteettiosuudet kohteen eri pisteistä 29. Saadaksemme kohteen intensiteettijakauman suoritamme kuvan rekonstruktion, joka perustuu typistettyyn yksikköarvohajoamiseen (TSVD) technique30. Estimoitu objekti saadaan arvolla \({\hat {\mathbf {x}}} = \mathop {\sum}\nolimits_ {l = 1}^l {\frac {1} {{\sigma _l}}} ({\mathbf {y}}, {\mathbf {u}}_l) {\mathbf {V}}_l\), jossa ul ja vl merkitsevät L: ää vasenta ja oikeaa yksikkövektoria, ja σl on vastaava yksikköarvo. L on regularisaatioparametri, joka määrittää tsvd-ratkaisussa käytettyjen yksiköllisten vektorien määrän, joka on optimoitu manuaalisella virityksellä rekonstruoidun kuvan silmämääräisen tarkastuksen perusteella.

Kuvantamisgeometrian kaavamainen kuva. Jokainen pikseli yhdistää valon voimakkuuden eri suunnista sen kulmavasteen mukaan. b Kuvanmuodostusmalli. Pikselirivistön mittaus suhteutetaan kohteeseen lineaarisella yhtälöllä y = Ax, jossa anturimatriisi A sisältää kaikkien pikselien kulmavasteet. C-f edustava objekti (c) ja vastaava kuvan rekonstruktiotulos SNR = 56 dB (d–f). G-j esimerkki monimutkaisemmasta kohteesta (g) ja vastaava kuvan rekonstruktiotulos SNR = 73 dB (h–j). Alkuperäistä kuvaajan kuvaa (g) käytetään sen tekijänoikeuden haltijan (Massachusetts Institute of Technology) luvalla. D: n, h: n kuvat perustuvat FIG: n simuloituihin vastekuvioihin. 2, jossa on 6240 pikselin ryhmä aallonpituudella λ0 = 1550 nm. E: n ja i: n kuvat perustuvat FIG: n kokeellisiin vastekuvioihin. 3, jossa on 5280 pikselin ryhmä aallonpituudella λ0 = 1550 nm. F: n ja j: n kuvat perustuvat laajakaistavalaistuksessa simuloituihin kuvioihin, joiden kaistanleveys on δλ/λ0 = 10 % (f) ja 5 % (j). Kuvan rekonstruktioalgoritmi asetetaan julkisesti saataville .

tällä lähestymistavalla olemme vahvistaneet sekä suunniteltujen että valmistettujen metasurfaasien kyvyn mahdollistaa monimutkainen kuvan rekonstruktio. Suunniteltujen rakenteiden osalta anturimatriisi A on rakennettu Fig: n lasketuista kulmavastekartoista. 2d-f ja täydentävä Kuva. 5, sekä niiden interpoloinnit ylimääräisiä metasurfaces tarjoaa huipussaan lähetyksen eri napakulmissa. Menetelmä uusien pikselivasteiden interpoloimiseksi esitetään yksityiskohtaisesti lisähuomautuksessa 6, ja useita interpoloituja esimerkkejä esitetään täydentävissä viikunoissa. 9 ja 10. Tarvittava määrä eri pikseleitä määritetään laskemalla kaikkien pikselivasteiden superpositio yhtenäisen näkökentän kattavuuden varmistamiseksi, ja käyttämällä ylimääräisiä kuvantamissimulaatioita (KS.lisähuomautus 7 ja täydentävä Kuva. 11). Tämän analyysin perusteella valitsemme Δθp = 1.5° ja Δϕp = 3° peräkkäisten pikselien huippuilmaisusuuntien välisille kulmaväleille, jotka takaavat hyvän kuvan rekonstruktion kohtuullisen pienellä kuvapistemäärällä (6240), joka kattaa koko ±75°: n näkökentän suunnitelluista metasurfaceista. Suuremmilla etäisyyksillä θp: ssä rekonstruktiotulokset kärsivät säteittäisesti suuntautuneista ääreisartefakteista johtuen puuttuvasta peittoalueesta kulmavastauksissa. Suurempien etäisyyksien ollessa ϕp, resoluutio heikkenee erityisesti korkean napakulman alueilla. Kokeellisten laitteiden mallintamiseen käytetään samanlaista menetelmää samoilla kulmaväleillä, joka perustuu Fig: n mitattuihin kulmavastekarttoihin. 3d-g ja täydentävä Kuva. 8. Näiden interpolaatioiden näkökenttä pienennetään ±65°: seen (rajoitetaan nykyisillä näytteillä mitatulla suurimmalla napakulmalla), joka ulottuu 5280 pikselin alueelle.

kaapattuihin tietoihin lisätään myös valkoista Gaussin kohinaa (vektorit y) valodetektorin realistisen suorituskyvyn huomioon ottamiseksi (KS.lisähuomautus 8). Yleensä CCD/CMOS-kameran signaali-kohina-suhdetta (SNR) rajoittaa yksittäisten pikselien kylläisyysvaraus (täysi kaivokapasiteetti). Lisäksi sitä voidaan lisätä (\(\sqrt n\) – kertoimella) laskemalla keskimäärin (n) identtisten pikselien signaalit, jolloin tarkkuus pienenee ja/tai aktiivinen pinta-ala kasvaa. Tässä käytämme perustason yhden pikselin SNR 56 dB (eli ysignal/ynoise = 631), kuten on raportoitu kirjallisuudessa standardilla CMOS-tekniikalla ja optimoiduilla piirimalleilla, jopa pikselivälille,joka on niinkin pieni kuin ~8 µm31, 32. Lisäksi teemme simulaatioita SNR = 63: lle ja 73 dB: lle, mikä voidaan saavuttaa suuremmilla matriiseilla, joissa kutakin metasurface-rakennetta sovelletaan vastaavasti N = 5: een ja 50: een pikseliin, joiden signaalit sidotaan yhteen ja lasketaan keskiarvoksi. Kuvapisteiden kokonaismäärä kasvaa vastaavasti noin 260 000: een ja 310 000: een (mitattuihin ja simuloituihin laitteisiin perustuvien kameroiden osalta vastaavasti korkeimmalla SNR: llä 73 dB), mikä on edelleen hyvin nykyisen CMOS-tekniikan rajoissa. Ohimennen on huomattava, että samat SNR-arvot voidaan saavuttaa myös useilla muilla pikseliluvun, pikselin mittojen, täyden porauskapasiteetin ja lokeron koon n yhdistelmillä.

laitteidemme simuloidut kuvantamisominaisuudet on kuvattu Fig: ssä. 4. Kuva 4c-f sisältää suhteellisen yksinkertaisesta kohteesta saadut tulokset (FIG: n nopeusrajoitusmerkki. 4c), jota kuvattiin 56 dB: n lähtötason SNR: n ollessa 56 dB. Monimutkaisempi esine (kuvaaja kuva Fig. 4g) pidetään Fig. 4g-j, kuvattu suuremmalla 73 dB: n SNR: llä. Simulointitulokset molemmista lasketuista ryhmistä johdetuille ryhmille (Kuva. 4d, h)ja mitattu (Kuva. 4E, i) kulmavastekartat esitetään. Kaikissa tapauksissa saadaan laadukas kuvarekonstruktio, jossa molempien kohteiden keskeiset ominaisuudet toistetaan uskollisesti. Saatujen tulosten vertaaminen laskettuihin ja mitattuihin kulmavastauksiin osoittaa jälkimmäisessä tapauksessa jonkin verran erottelukyvyn heikkenemistä, joka johtuu kokeellisten karttojen Pienemmästä kulmaselektiivisyydestä ja korkeammista taustatasoista. Joka tapauksessa nämä tiedot osoittavat selvästi kyvyn rekonstruoida hyvin tunnistettavia kuvia jopa valmistettujen laitteiden mitattujen ominaisuuksien perusteella. Nämä havainnot vahvistetaan laajoilla simulaatioilla, jotka on tehty useilla muilla eri monimutkaisilla kohteilla eri SNRs: issä, kuten täydentävässä kuvassa esitetään. 12.

lopuksi tutkitaan, miten samojen laitteiden kuvantamiskykyyn vaikuttaa poikkeavan valon optinen kaistanleveys δλ polykromaattisessa valaistuksessa. Kaikki tähän mennessä käytetyt kulmavastekartat on joko laskettu tai mitattu yhdellä aallonpituudella – kohteen suunnitteluarvo λ0 = 1550 nm. Samalla, koska meidän metasurfaces diffractive luonne, niiden siirto-ominaisuudet voidaan olettaa vaihtelevat incident aallonpituus. Tärkeää on kuitenkin, että nämä vaihtelut voidaan ottaa huomioon laskennallisessa kuvantamismenetelmässämme, niin että hyvin tunnistettavat kuvat voidaan myös rekonstruoida kohtuullisen polykromaattisessa valaistuksessa vain suhteellisen pienellä resoluutiotappiolla. Erityisesti jos kohtausspektri ulottuu äärelliselle kaistanleveydelle δλ, suurin vaikutus kunkin laitteen kulmavasteeseen on ilmaisupiikin suhteellinen laajeneminen δθp. Käyttämällä yllä olevaa diffraktioehtoa löydämme δθp = δλ/λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, jossa θp on huipun havaitsemisen polaarikulma λ0: ssä, ja SPP: n efektiivinen indeksi nSPP = λ0 / λSPP on ~1,06 viikunan metasurface-kuvioissa. 2. Tällainen laajeneminen voidaan sisällyttää kuvarekonstruktiosimulaatioihin monokromaattisen pikselivasteen ja leveydeltään δθp olevan Gaussin sumenevan ytimen 2D-konvoluutiolla. Esimerkkejä kuvista, jotka on saatu tällä lähestymistavalla, jota sovelletaan simuloituihin karttoihin, esitetään kuvassa. 4f, j, mukaan lukien yksinkertainen nopeusrajoitusmerkki, jonka kaistanleveys δλ/λ0 on 10% 56 dB SNR: n kohdalla (Kuva. 4f) ja monimutkaisempi kuvaajan kuva δλ/λ0 = 5% ja 73-dB SNR (Kuva. 4j). Molempien kohteiden keskeiset piirteet toistuvat jälleen hyvin kuvissa. Lisää esimerkkejä löytyy täydentävä Fig. 13. Näissä simulaatioissa tarkastellut kuvaustilanteet voidaan toteuttaa käytännössä peittämällä koko kameraryhmä 155 tai 77 nm: n kaistanleveyden kaistanpäästösuodattimella. Suuremmat toiminnan kaistanleveydet ja parempi kuvanlaatu voitaisiin saavuttaa käyttämällä monimutkaisempia gradientin metasurfaceja, joiden osatekijät on suunniteltu antamaan sama vaste useilla aallonpituuksilla kuin viimeaikaisessa työssä laajakaistametallien33 suhteen. Samalla voi olla myös mahdollista saada tietoa kohteen värijakaumasta luonnehtimalla ensin kunkin pikselin spektrivasteet ja sen jälkeen monikanavainen kuvarekonstruktio, joka on samanlainen kuin äskettäinen diffractive-optiikkaan perustuva värikuvaus34.