Conception de la métasurface

Le principe de fonctionnement des dispositifs sensibles à l’angle développés dans ce travail est illustré à la Fig. 2. Le matériau actif photodétecteur (un photoconducteur géo) est revêtu d’une métasurface composite constituée d’un film métallique empilé avec un réseau de nanoparticules métalliques rectangulaires (NPs). La métasurface comprend trois sections différentes: un coupleur de réseau périodique, un réflecteur de réseau et un ensemble de fentes à travers le film métallique sous-jacent. L’or est utilisé comme matériau de choix pour toutes les caractéristiques métalliques, en raison de ses propriétés plasmoniques favorables aux longueurs d’onde infrarouge 15. Deux couches diélectriques (SiO2) sont également introduites immédiatement au-dessous et au-dessus du film Au, pour assurer l’isolation électrique de la couche active et pour contrôler le couplage film-NP, respectivement. Étant donné que le film métallique est optiquement épais (100 nm), la photodétection ne peut avoir lieu que par un processus indirect où la lumière incidente à l’angle souhaité est d’abord diffractée par les NPs (dans la section de coupleur de réseau périodique) en polaritons plasmon de surface (SPP) — c’est-à-dire des ondes électromagnétiques guidées se propageant le long de l’interface Au-air. Un petit nombre de fentes de sous-longueur d’onde dans le film métallique sont ensuite utilisées pour disperser ces SPP en un rayonnement se propageant principalement dans la couche active absorbante. En conséquence, un signal de photocourant est produit entre deux électrodes polarisées situées à travers la métasurface.

a, b Illustrations schématiques de la géométrie de la métasurface et du principe de fonctionnement. La lumière incidente à l’angle de détection désiré + θp(a) est diffractée par le coupleur de réseau en SPP se propageant vers les fentes, où elles sont préférentiellement dispersées dans le substrat absorbant. La lumière incidente à l’angle opposé – θp(b) est diffractée par le réseau NP en SPP se propageant vers le réflecteur du réseau, où ils sont diffractés en rayonnement. La lumière incidente sous un autre angle est au contraire complètement réfléchie ou diffractée loin de la surface. c A calculé le coefficient de transmission optique à λ0 = 1550 nm à travers six métasurfaces différentes pour p lumière polarisée en fonction de l’angle d’incidence θ sur le plan x–z. La période du coupleur de réseau (nombre de NPs) est comprise entre 1465 et 745 nm (15 à 29) par ordre d’angle croissant de détection de crête. Les largeurs NP varient entre 250 et 570 nm. coefficient de transmission d–f de trois métasurfaces de c en fonction des angles d’éclairement θ et azimutal ϕ polaires, additionnés sur les polarisations xz et yz. Dans chaque carte, kx et ky sont les composantes dans le plan du vecteur d’ondes de lumière incidente, et l’échelle de couleurs est normalisée à la valeur de transmission maximale (MAX). En e, le cercle rouge plein de rayon kSPP indique les modes SPP disponibles sur la surface métallique supérieure; la ligne courbe en pointillés met en évidence les directions incidentes de la transmission de crête; les flèches horizontales grises (de longueur 2π/Λ) illustrent comment la lumière incidente dans ces directions peut exciter les SPP par diffraction négative du premier ordre ; et les flèches rouges montrent les directions de propagation des SPP excités.

L’angle incident de détection de crête est contrôlé par la période de coupleur du réseau Λ. Plus précisément, les SPP se propageant selon la direction – x de la Fig. 2a, b peut être excité par diffraction du premier ordre de la lumière incidente (sur le plan x–z) aux angles égaux et opposés ±θp déterminés par la condition de diffraction (2πsinθp) / λ0−2π/Λ =−2π/λSPP, où λ0 et λSPP sont les longueurs d’onde de la lumière incidente et des SPP excités, respectivement. La lumière incidente sous un autre angle est au contraire complètement réfléchie ou diffractée loin de la surface (en particulier, l’excitation des SPP par tous les ordres de diffraction supérieurs est évitée en maintenant Λ inférieur à λSPP). La détection sélective d’une seule direction d’incident (p.ex., +θp) est alors obtenu en entourant le coupleur de réseau avec les fentes d’un côté (dans le sens −x) et le réflecteur de réseau de l’autre côté (dans le sens +x). Le réflecteur est un autre réseau de NPS rectangulaires conçus pour disperser les SPP entrants dans la lumière rayonnant loin de l’échantillon près de la direction normale de la surface. Avec cette disposition, les SPP excités par la lumière incidente à +θp se propagent vers les fentes, où ils sont préférentiellement dispersés dans le substrat et produisent un photocourant (Fig. 2a et Film supplémentaire 1). Les SPP excités par la lumière incidente en -θp se propagent vers le réflecteur du réseau, où ils sont diffractés dans l’espace libre (Fig. 2b et Film supplémentaire 2). En conséquence, les photodétecteurs revêtus de métasurface sont fonctionnellement équivalents à l’matidie de l’œil composé d’apposition, tout en conservant la géométrie plane des réseaux de capteurs d’image standard.

Les métasurfaces qui viennent d’être décrites reposent sur un certain nombre d’idées clés issues de la plasmonique et de la nanophotonique, appliquées ici à une nouvelle fonctionnalité de dispositif (filtrage directionnel). Premièrement, la capacité des fentes de sous-longueur d’onde à coupler efficacement les SPP au rayonnement est bien établie dans le contexte d’une transmission optique extraordinaire16 et a déjà été exploitée pour diverses applications17,18, 19. En détail, lorsqu’un SPP se propageant sur la surface métallique supérieure atteint les limites de la fente, une ligne de dipôles oscillants dans le plan est effectivement produite à travers la fente, qui émettra alors un rayonnement se propageant principalement dans le substrat à indice supérieur. Le même comportement en sens inverse a également été utilisé pour l’excitation efficace de SPPs sur la surface supérieure d’un film métallique perforé, par éclairage du côté arrière 20, 21, 22. Deuxièmement, la conception du réflecteur de réseau est basée sur la notion de métasurfaces à gradient de phase linéaire23,24, où des cellules unitaires asymétriques composites sont utilisées pour supprimer tous les ordres de diffraction q à l’exception de q =-1 (voir Note supplémentaire 2 et Fig. 2). En conséquence, la transmission SPP (qui est équivalente à la diffraction d’ordre zéro) est effectivement interdite dans ce réseau NP, de sorte que les SPP incidents du coupleur de réseau (comme sur la Fig. 2b) peut être complètement dispersé en rayonnement avec le plus petit nombre possible de périodes. Dans un réseau de photodétecteurs, tout SPP transmis à travers le réflecteur d’un pixel peut être diffusé et détecté dans un pixel voisin. L’utilisation d’un gradient de phase linéaire est donc favorable pour éviter les signaux de photocourant parasites produits par la lumière incidente en -θp (voir fig. 3). De même, si l’ordre q = + 1 était autorisé, la lumière incidente quasi normale pourrait être partiellement diffractée par le réflecteur du réseau en SPP se propageant également directement dans un pixel voisin, où ils pourraient à nouveau produire un signal indésirable (en revanche, tout SPP excité dans le réflecteur du réseau par diffraction q =-1 se propagera dans la direction -x sur tout le réseau NP, où il peut subir une atténuation presque complète par absorption et diffusion avant d’atteindre les fentes de l’autre côté).

Plusieurs dispositifs basés sur la géométrie qui vient d’être décrite, chacun fournissant une photodétection de crête sous un angle θp différent, ont été conçus à l’aide de simulations électromagnétiques en pleine onde basées sur la méthode du domaine temporel des différences finies (FDTD). Outre la période Λ du coupleur du réseau, les paramètres de conception clés incluent le nombre de NPs (qui peuvent être optimisés pour une transmission maximale de crête) et la largeur NP (qui doit être choisie pour maximiser l’efficacité de diffraction du réseau, tout en évitant tout couplage significatif entre les SPP et les résonances plasmoniques localisées supportées par les NPs) ; plus de détails peuvent être trouvés dans la Note supplémentaire 1 et la Fig. 1. La figure 2c montre le coefficient de transmission de puissance polarisé p calculé pour un ensemble de métasurfaces optimisées à λ0 = 1550 nm, en fonction de l’angle d’incidence polaire θ sur le plan x–z (les paramètres géométriques pertinents sont énumérés dans la Note supplémentaire 3 et le Tableau supplémentaire 1). Si les métasurfaces sont fabriquées sur un matériau actif photodétecteur, le signal détecté est proportionnel à leur coefficient de transmission. Les dispositifs de la Fig. 2c peut donc fournir une photodétection directionnelle accordable, avec une large plage d’accord pour l’angle de détection de crête θp de ±75° et une résolution angulaire étroite, allant de 3° à 14° pleine largeur au demi-maximum (FWHM) lorsque θp est augmenté. Le coefficient de transmission de crête Tp est de l’ordre de 35 à 45 % pour toutes les conceptions considérées, avec un rapport de crête sur fond moyen d’environ 6. Au passage, on notera que dans la structure avec θp = 0°, le coupleur de réseau est entouré de fentes de part et d’autre (puisque la réponse angulaire souhaitée est symétrique), conduisant à une valeur de Tp un peu plus grande. Pour la lumière polarisée en s, la transmission à travers les mêmes métasurfaces est isotrope et significativement plus petite, < 0,2% à tous les angles (voir fig. 4 et discussion ci-dessous).

Les modèles de réponse angulaire complets des mêmes appareils sont représentés dans les cartes de couleurs de la Fig. 2d-f et Fig. 5, où les coefficients de transmission de métasurface (calculés avec une méthode basée sur la réciprocité et additionnés sur les deux polarisations) sont tracés en fonction des angles d’éclairement θ polaire et azimutal ϕ. Dans chaque carte, les directions de transmission élevée forment une région en forme de C dans l’hémisphère complet, ce qui indique la diffraction du premier ordre de la lumière incidente en SPP de différents vecteurs d’ondes kSPP. Plus précisément, la forme de C est déterminée par la distribution d’espace réciproque des modes SPP disponibles à λ0 (cercle rouge sur la Fig. 2e), traduit par le vecteur réseau \({\hat{\mathbf{x}}}\)2π/Λ du coupleur de réseau (comme le montrent les flèches horizontales de la même figure). Ce comportement augmente clairement la plage de directions incidentes détectées par chaque pixel. Il est cependant important de noter que les techniques d’imagerie informatique décrites ci-dessous permettent de reconstruire des images avec une résolution plus élevée par rapport à la sélectivité angulaire à un pixel, si des dispositifs avec des chevauchements appropriés dans leurs réponses angulaires sont combinés.

Pour toute direction incidente, la transmission de la métasurface pour la lumière polarisée en xz (i.e., avec un champ électrique sur le plan x–z) est à nouveau beaucoup plus grand que pour la lumière polarisée en yz (voir Note supplémentaire 4). Ce comportement provient des propriétés de polarisation des SPPs. En général, les SPP possèdent une composante de champ électrique dans le plan qui est parallèle à leur direction de propagation15. Par conséquent, dans la géométrie à l’étude, la lumière incidente polarisée en xz est la plus efficace pour exciter les SPP se propageant à un petit angle par rapport à l’axe x, et vice versa. Dans la même géométrie, où les fentes sont linéaires et orientées selon la direction y, seuls les SPP avec un grand x (i.e. la composante perpendiculaire) du champ électrique peut être couplée efficacement en rayonnement par l’excitation susmentionnée de dipôles oscillants à travers les fentes 22. Il résulte de ces considérations que les modes SPP qui sont plus fortement diffusés par les fentes dans le substrat absorbant sont également plus efficacement excités par la lumière incidente polarisée en xz (par rapport à la lumière polarisée en yz). Les mêmes considérations expliquent également pourquoi la transmission de la métasurface dans les régions en forme de C de la Fig. 2d-f diminue avec l’augmentation de l’angle azimutal ϕ de la lumière incidente: plus larger est grand, plus les composantes x du vecteur d’onde kSPP et le champ électrique des SPP excités en conséquence sont petits (voir flèches rouges à la Fig. 2e). La dépendance intrinsèque de polarisation des dispositifs de la Fig. 2 limite leur sensibilité globale pour les applications d’imagerie typiques impliquant une lumière non polarisée. En même temps, il pourrait être exploité en conjonction avec des techniques d’imagerie informatique pour permettre une vision par polarisation, qui offre plusieurs caractéristiques souhaitables telles que la réduction de l’éblouissement et un contraste amélioré25. Alternativement, des photodétecteurs sensibles à l’angle indépendants de la polarisation pourraient également être conçus avec des métasurfaces plus complexes, par exemple en utilisant des réseaux NP bidimensionnels qui permettent un contrôle indépendant de la phase et de la polarisation26,27.

Résultats expérimentaux

Les métasurfaces de la Fig. 2 peut être appliqué à n’importe quelle technologie de photodétecteur plan, quels que soient ses principes de fonctionnement. Ici, nous utilisons des photoconducteurs Ge métal-semi-conducteur-métal (MSM), où un signal de photocourant est collecté sur deux électrodes polarisées déposées sur la surface supérieure d’un substrat Ge. La métasurface sensible à l’angle est modelée sur la région active entre les deux contacts métalliques. Alors que les photodiodes offrent généralement des performances supérieures, les photodétecteurs MSM sont particulièrement simples à fabriquer et constituent donc une plate-forme pratique pour étudier le développement de la métasurface. Pour simplifier les mesures de photocourant résolues en angle, nous utilisons également des zones actives relativement grandes: dans chaque dispositif, la séparation entre les deux électrodes est d ≈ 300 µm, et la métasurface est constituée de quelques (5-6) répétitions identiques d’une même structure basée sur la conception de la Fig. 2a, avec le réflecteur de réseau d’une section immédiatement adjacent aux fentes de la section suivante. Des images représentatives de microscopie optique et électronique à balayage (MEB) sont présentées à la Fig. 3, montrant un dispositif complet (Fig. 3a), une coupe de métasurface (fig. 3b), et un ensemble de fentes (Fig. 3c).

images optiques a–c (a) et SEM(b, c) d’échantillons expérimentaux représentatifs. La barre d’échelle est de 100 µm en a, 4 µm en b et 2 µm en c. Dans a, la métasurface entière d’un dispositif complet est vue à travers une fenêtre Ti recouvrant l’échantillon entier, qui est introduite pour éviter les signaux de photocourant parasites. L’image de c a été prise avant la fabrication du réseau NP. d-g a mesuré la dépendance angulaire du photocourant de quatre dispositifs sur la base des structures de la Fig. 2, fournissant une réponse de crête proche de θp = 0 ° (d), 12 ° (e), 28 ° (f) et 65 ° (g). Dans chaque graphique, le photocourant est normalisé à la valeur de crête. Les images SEM révèlent des écarts dans les périodes de tableau et les largeurs NP par rapport à leurs valeurs de conception cibles. Les valeurs mesurées sont Λ = 1440, 1180, 1030 et 775 nm et w = 240, 560, 526 et 256 nm pour les dispositifs des panneaux d, e, f et g, respectivement. la ligne h–k balaye le long de la direction ϕ = 0° à partir des cartes de d–g, respectivement. réponse polarisée l p- (i.e., xz-) et s- (i.e., yz-) en fonction de l’angle d’incidence polaire sur le plan x–z, mesurée avec trois échantillons différents: un dispositif de référence sans film métallique et réseau NP, et deux dispositifs revêtus de métasurface fournissant une détection de crête à θp = 12 ° et 65 °, respectivement. Les données sources des panneaux d à g sont fournies sous forme de fichiers de données sources.

Les mesures de photocourant résolues en angle avec ces appareils montrent une réponse fortement directionnelle en bon accord avec les simulations (Fig. 3d-k et Fig. 8). Dans ces mesures, chaque dispositif est éclairé par une lumière laser à une longueur d’onde de 1550 nm, et les angles d’incidence polaire et azimutale sont modifiés, respectivement, en faisant tourner l’optique de focalisation autour de l’échantillon et en faisant tourner l’échantillon autour de sa surface normale. Deux cartes de réponse angulaire polarisées orthogonalement sont enregistrées pour chaque échantillon, et leurs sommes sont tracées à la Fig. 3d-g. Conformément à la discussion ci-dessus, les résultats de mesure indiquent que le signal de photocourant le plus fort est obtenu lorsque la lumière incidente est polarisée en xz, alors que la contribution polarisée en yz est essentiellement négligeable (voir Fig. 7). Chaque carte de la Fig. 3 présente la région attendue en forme de C de forte réactivité, centrée près de l’angle polaire conçu de transmission maximale de la métasurface θp (0, 12, 28 et 65 ° pour les panneaux d, e, f et g, respectivement). La sélectivité en angle polaire (FWHM) des mêmes dispositifs, mesurée à partir de la coupe horizontale ϕ= 0° de chaque carte représentée à la Fig. 3h-k, est dans la plage de 4-21° dans l’ordre de θp croissant. Le rapport crête-moyenne-arrière-plan est de ~ 3 pour tous les appareils. Ces caractéristiques mesurées sont raisonnablement proches des valeurs calculées à partir des résultats de simulation de la Fig. 2. Les différences observées sont principalement dues à la présence d’une certaine rugosité de surface dans les échantillons expérimentaux (qui peut disperser une partie de la lumière incidente dans les SPP quelle que soit sa direction de propagation), ainsi qu’à de petits écarts dans les périodes de réseau et les largeurs NP (affectant principalement θp). Dans tous les cas, comme décrit ci-après, ces valeurs expérimentales sont déjà tout à fait adéquates pour une reconstruction d’image de haute qualité.

Pour évaluer la transmission de crête des métasurfaces, des échantillons nus sinon identiques sans film métallique et réseau NP entre les deux électrodes ont également été fabriqués et testés. La figure 3l montre la réceptivité polarisée en p et en s à résolution d’angle polaire d’un tel échantillon, ainsi que les données mesurées avec deux dispositifs de métasurface. Sous leurs angles de détection de crête de 12° et 65°, les responsivités polarisées p de ces derniers dispositifs sont réduites respectivement à ~42% et 36% de la valeur correspondante de l’échantillon nu, en excellent accord avec les résultats de simulation de la Fig. 2c. Malheureusement, une comparaison quantitative plus étendue entre tous les dispositifs expérimentaux de la Fig. 3 n’est pas possible en raison de grandes variations de leurs résistances à l’obscurité. De telles variations ont été observées même entre différents échantillons basés sur la même conception (y compris différents échantillons nus), la réactivité augmentant constamment avec la résistance à l’obscurité, et sont peut-être causées par des défauts induits par la fabrication affectant la densité de la porteuse ou favorisant les fuites de courant. En conséquence, sur la Fig. 3l nous n’incluons que les données mesurées avec des appareils présentant la même résistance à l’obscurité (~ 1,5 kΩ). Il convient également de noter que les valeurs de réactivité de crête par tension appliquée représentées à la Fig. 3l (~10 mA W−1 V-1) sont raisonnables pour ce type de photodétecteurs, notamment compte tenu de leur grande séparation inter-électrodes d ≈ 300 µm, ce qui limite le gain photoconducteur (proportionnel à 1/d2) 28.

Reconstruction d’image

Ensuite, nous étudions les capacités d’imagerie des photodétecteurs sensibles à l’angle qui viennent d’être décrits. Nous considérons une architecture de caméra à œil composé sans lentille constituée d’un réseau planaire de ces dispositifs, chaque pixel fournissant une photodétection directionnelle culminant à une combinaison différente d’angles polaires et azimutaux (θp et ϕp, respectivement). La valeur de θp peut être contrôlée en faisant varier la conception du coupleur de réseau, comme discuté ci-dessus. Pour une conception fixe, l’ERCP peut être modifié en tournant simplement la métasurface entière autour de sa surface normale sur le photodétecteur correspondant. En utilisant cet arrangement de pixels, nous avons réalisé une série de simulations numériques par le modèle de formation d’images suivant. Nous considérons des objets suffisamment éloignés du réseau de pixels pour que chaque angle corresponde de manière unique à un point spatial différent de l’objet (Fig. 4 bis). Chaque pixel intègre l’intensité totale détectée en fonction de sa réponse angulaire. Le processus de formation d’images peut alors être décrit par une équation matricielle linéaire y = Ax, qui relie la distribution d’intensité de l’objet (x) aux données capturées (y) par une matrice de détection (A) (Fig. 4b). La réponse angulaire de chaque pixel forme un vecteur ligne différent de A, qui quantifie les contributions d’intensité au signal de pixel à partir de différents points de l’objet29. Pour obtenir la distribution d’intensité de l’objet, nous effectuons une reconstruction d’image basée sur la technique de décomposition en valeurs singulières tronquées (TSVD) 30. L’objet estimé est donné par \({\hat{\mathbf{x}}} = \mathop{\sum}\nolimits_{l = 1}^L{\frac{1}{{\sigma _l}}} ({\mathbf{y}}, {\mathbf{u}}_l) {\mathbf{v}}_l\), où ul et vl désignent le lth vecteur singulier gauche et droit, respectivement, et σl est la valeur singulière correspondante. L est un paramètre de régularisation définissant le nombre de vecteurs singuliers utilisés dans la solution TSVD, qui est optimisé par un réglage manuel basé sur une inspection visuelle de l’image reconstruite.

une illustration schématique de la géométrie d’imagerie. Chaque pixel intègre l’intensité lumineuse incidente de différentes directions en fonction de sa réponse angulaire. b Modèle de formation d’images. La mesure du réseau de pixels est liée à l’objet par une équation linéaire y = Ax, où la matrice de détection A contient les réponses angulaires de tous les pixels. objet représentatif c-f (c) et résultats de reconstruction d’image correspondants à SNR = 56 dB (d–f). exemple g-j d’un objet plus complexe (g) et de reconstruction d’image correspondante à SNR = 73 dB (h–j). L’image originale du caméraman (g) est utilisée avec la permission de son titulaire du droit d’auteur (Massachusetts Institute of Technology). Les images de d, h sont basées sur les modèles de réceptivité simulés de la Fig. 2 avec un réseau de 6240 pixels à λ0 = 1550 nm. Les images de e et i sont basées sur les modèles de réceptivité expérimentaux de la Fig. 3 avec un réseau de 5280 pixels à λ0 = 1550 nm. Les images de f et j sont basées sur les motifs simulés sous éclairage large bande avec une largeur de bande δλ/λ0 = 10% (f) et 5% (j). L’algorithme de reconstruction d’image est rendu public.

Avec cette approche, nous avons validé la capacité de nos métasurfaces conçues et fabriquées à permettre la reconstruction d’images complexes. Pour les structures conçues, la matrice de détection A est construite à partir des cartes de réponse angulaire calculées de la Fig. 2d-f et Fig. 5, ainsi que leurs interpolations pour des métasurfaces supplémentaires assurant une transmission en pointe à différents angles polaires. Le procédé d’interpolation de nouvelles réponses de pixels est détaillé dans la Note supplémentaire 6, et plusieurs exemples d’interpolation sont illustrés dans les Figs supplémentaires. 9 et 10. Le nombre requis de pixels différents est déterminé par le calcul de la superposition de toutes les réponses de pixels pour assurer une couverture de champ de vision uniforme, et par des simulations d’imagerie supplémentaires (voir Note supplémentaire 7 et Fig. 11). Sur la base de cette analyse, nous sélectionnons Δθp = 1.5° et ΔpP = 3° pour les espacements angulaires entre les directions de détection de crête de pixels consécutifs, qui fournissent une bonne qualité de reconstruction d’image avec un nombre raisonnablement faible de pixels (6240) couvrant le champ de vision complet de ±75° des métasurfaces conçues. Avec un espacement plus important en θp, les résultats de reconstruction souffrent d’artefacts de frange orientés radialement en raison d’une couverture manquante dans les réponses angulaires. Avec un espacement plus important dans ERCP, la résolution se dégrade en particulier dans les régions à angle polaire élevé. Une procédure similaire avec les mêmes espacements angulaires est utilisée pour modéliser les dispositifs expérimentaux, sur la base des cartes de réponse angulaire mesurées de la Fig. 3d-g et Fig. 8. Le champ de vision pour ces interpolations est réduit à ±65° (limité par l’angle polaire maximal de détection de crête mesuré avec les échantillons présents), étendu de 5280 pixels.

Un bruit gaussien blanc est également ajouté aux données capturées (les vecteurs y) pour tenir compte des performances réalistes du photodétecteur (voir Note supplémentaire 8). En général, le rapport signal sur bruit (SNR) d’une caméra CCD/CMOS est limité par la charge de saturation (pleine capacité du puits) des pixels individuels. De plus, il peut être augmenté (d’un facteur \(\sqrt N\)) en faisant la moyenne des signaux de (N) pixels identiques, au détriment d’une diminution proportionnelle de la résolution et/ou d’une augmentation de la surface active. Ici, nous utilisons un SNR à un pixel de base de 56 dB (c’est-à-dire ysignal / ynoise = 631), comme indiqué dans la littérature avec la technologie CMOS standard et des conceptions de circuits optimisées, même pour un pas de pixel aussi petit que ~ 8 µm31,32. De plus, nous effectuons également des simulations pour SNR = 63 et 73 dB, ce qui peut être réalisé avec des tableaux plus grands où chaque conception de métasurface est appliquée, respectivement, à N = 5 et 50 pixels, dont les signaux sont ensuite regroupés et moyennés. Le nombre total de pixels augmente en conséquence jusqu’à environ 260 000 et 310 000 (pour les caméras basées sur les appareils mesurés et simulés, respectivement, au SNR le plus élevé de 73 dB), ce qui reste bien dans la plage de la technologie CMOS actuelle. Au passage, il convient de noter que les mêmes valeurs de SNR pourraient également être obtenues avec plusieurs autres combinaisons de nombre de pixels, de dimensions de pixels, de pleine capacité de puits et de taille de bac N.

Les capacités d’imagerie simulée de nos appareils sont illustrées à la Fig. 4. La figure 4c-f contient les résultats obtenus pour un objet relativement simple (le panneau de signalisation de limitation de vitesse de la Fig. 4c), imagée au SNR de base de 56 dB. Un objet plus complexe (l’image du caméraman de la Fig. 4g) est considéré à la Fig. 4g-j, imagé au plus grand SNR de 73 dB. Résultats de simulation pour les tableaux dérivés des deux calculés (Fig. 4d, h) et mesurée (fig. 4e, i) des cartes de réponse angulaire sont présentées. Une reconstruction d’image de haute qualité est obtenue dans tous les cas, avec les caractéristiques clés des deux objets fidèlement reproduites. La comparaison entre les résultats obtenus avec les réponses angulaires calculées et mesurées montre une certaine perte de résolution dans ce dernier cas, causée par la sélectivité angulaire plus faible et les niveaux de fond plus élevés des cartes expérimentales. Dans tous les cas, ces données démontrent clairement la capacité de reconstruire des images bien reconnaissables même en fonction des caractéristiques mesurées des dispositifs fabriqués. Ces observations sont confirmées par des simulations poussées effectuées avec plusieurs autres objets de complexité variable à différents SNR, comme le montre la Fig. 12.

Enfin, nous étudions comment les capacités d’imagerie des mêmes dispositifs sont affectées par la bande passante optique δλ de la lumière incidente sous éclairage polychromatique. Toutes les cartes de réponse angulaire utilisées jusqu’à présent sont calculées ou mesurées à une seule longueur d’onde – la valeur de conception cible λ0 = 1550 nm. En même temps, en raison de la nature diffractive de nos métasurfaces, on peut s’attendre à ce que leurs propriétés de transmission varient avec la longueur d’onde incidente. Il est cependant important de noter que ces variations peuvent être prises en compte dans notre approche d’imagerie informatique, de sorte que des images bien reconnaissables peuvent également être reconstruites sous un éclairage raisonnablement polychromatique avec seulement une perte de résolution relativement faible. En particulier, si le spectre incident s’étend sur une bande passante finie δλ, l’effet principal sur la réponse angulaire de chaque dispositif est un élargissement proportionnel δθp du pic de détection. En utilisant la condition de diffraction ci-dessus, on trouve δθp = δλ /λ0 (nSPP + sinθp) / cosθp, où θp est l’angle polaire de détection de crête à λ0, et l’indice effectif SPP nSPP = λ0 /λSPP est ~ 1,06 dans les plans de métasurface de la Fig. 2. Un tel élargissement peut être inclus dans les simulations de reconstruction d’image par une convolution 2D entre la réponse de pixel monochromatique et un noyau de flou gaussien de largeur δθp. Des exemples d’images obtenues avec cette approche appliquée aux cartes simulées sont représentés à la Fig. 4f, j, y compris le signe limite de vitesse simple imagé avec une largeur de bande δλ/λ0 de 10% à 56 dB SNR (Fig. 4f) et l’image plus complexe du caméraman pour δλ/λ0 = 5% et 73 dB SNR (Fig. 4j). Les principales caractéristiques des deux objets sont une fois de plus bien reproduites dans les images. Des exemples supplémentaires peuvent être trouvés dans la Fig. 13. Les situations d’imagerie considérées dans ces simulations peuvent être réalisées en pratique en couvrant l’ensemble du réseau de caméras avec un filtre passe-bande de 155 ou 77 nm de bande passante. Des largeurs de bande de fonctionnement plus importantes avec une qualité d’image plus élevée pourraient être obtenues en utilisant des métasurfaces à gradient plus complexes, avec des éléments constitutifs conçus pour fournir la même réponse à plusieurs longueurs d’onde que dans les travaux récents sur les métaux à large bande 33. Dans le même temps, il peut également être possible d’extraire des informations sur la distribution des couleurs de l’objet en caractérisant d’abord les réponses spectrales de chaque pixel suivies d’une procédure de reconstruction d’image multicanal, similaire à des travaux récents sur l’imagerie couleur basée sur l’optique diffractive 34.