Metasurface design

Az ebben a munkában kifejlesztett szögérzékeny eszközök működési elvét az ábra szemlélteti. 2. A fotodetektor aktív anyagát (egy Ge fotokonduktort) kompozit meta felület borítja, amely egy téglalap alakú fém nanorészecskékkel (NPs) halmozott fémfóliából áll. A meta felület három különböző részből áll-egy periodikus rácscsatlakozóból, egy rács reflektorból és egy réskészletből az alatta lévő fémfólián keresztül. Az aranyat az összes fémes tulajdonság választott anyagaként használják, kedvező plazmonikus tulajdonságai miatt infravörös hullámhosszon15. Két dielektromos réteget (SiO2) is bevezetünk közvetlenül az Au fólia alá és fölé, hogy az aktív rétegtől elektromos szigetelést biztosítsunk, illetve a film-NP kapcsolást szabályozzuk. Mivel a fémfólia optikailag vastag (100 nm), a fotodetekció csak közvetett folyamaton keresztül történhet, ahol a kívánt szögben beeső fényt először az NPs (a periodikus rácscsatlakozó szakaszban) diffraktálja felületi plazmon polaritonokká (SPPs)—azaz irányított elektromágneses hullámok, amelyek az Au-air interfész mentén terjednek. Ezután a fémfóliában kis számú hullámhosszú rést használnak ezeknek az SPP-knek a sugárzásba történő szétszórására, amelyek túlnyomórészt az abszorbeáló aktív rétegbe terjednek. Ennek eredményeként fotoáramú jel keletkezik a metafelületen elhelyezkedő két előfeszített elektróda között.

A, b A Meta felület geometriájának és működési elvének vázlatos ábrázolása. A kívánt érzékelési szögben beeső fény + a (A) a rácscsatlakozó által a rések felé terjedő spp-kbe diffrakciós, ahol előnyösen az abszorbeáló szubsztrátumba szóródnak. Az ellenkező szögben beeső fényt az NP tömb diffrakciózza spp-kké, amelyek a rács reflektor felé terjednek, ahol visszaverődnek sugárzássá. A bármely más szögben beeső fény ehelyett teljesen visszaverődik vagy diffrakciós a felszíntől. C számított optikai átviteli együttható 60 = 1550 nm–nél hat különböző metafelületen keresztül a P polarizált fényhez képest a beesési szöghez képest az X-z síkban. A rácscsatlakozó periódusa (NP-k száma) 1465-745 nm (15-29) között mozog a csúcsérzékelési szög növekvő sorrendjében. Az NP szélesség 250 és 570 nm között változik. d-f transzmissziós együtthatója három metasurface-nek c-től a poláris és azimutális megvilágítási szögek függvényében, XZ és yz polarizációkban összegezve. Minden térképen A Kx és a ky a beeső fény hullámvektor síkbeli összetevői, és a színskála a maximális (MAX) átviteli értékre normalizálódik. E-ben, a kspp sugarú folytonos piros kör jelzi a rendelkezésre álló SPP módokat a felső fémfelületen; a szaggatott ívelt vonal kiemeli a csúcsátvitel beeső irányait; a vízszintes szürke nyilak (amelyek hossza 2~/~) szemléltetik, hogy az ezen irányok mentén beeső fény hogyan gerjesztheti az SPP-ket negatív elsőrendű diffrakcióval; a piros nyilak pedig a gerjesztett spp-k terjedési irányait mutatják.

a csúcsérzékelés beesési szögét a Rácscsatlakozó periódusa szabályozza. Pontosabban, spp-k, amelyek az ábra x iránya mentén terjednek. 2a, b lehet izgatott keresztül elsőrendű fénytörő a beeső fény (az x–z sík) az egyenlő, de ellentétes szög ±θp határozza meg a diffrakció feltétel (2πsinθp)/λ0 − 2π/Λ = −2π/λSPP, ahol λ0, valamint λSPP a hullámhossz a beeső fény pedig izgatott SPPs, ill. A bármely más szögben beeső fény ehelyett teljesen visszaverődik vagy diffrakcióba kerül a felszíntől (különösen az SPP-k gerjesztését az összes magasabb diffrakciós sorrendtel elkerüljük, ha a Xhamspp-nél kisebbet tartunk). Csak egy beesési irány szelektív észlelése (pl., + ++ p) ezután úgy kapjuk meg, hogy a rácscsatlakozót az egyik oldalon (−x irányban) a résekkel, a másik oldalon (+x irányban) a rács reflektorral körbevesszük. A reflektor egy másik téglalap alakú NP-tömb, amelynek célja a bejövő spp-k szétszórása a mintától a felület normál iránya közelében sugárzó fénybe. Ezzel az elrendezéssel a beeső fény által gerjesztett spp-k +6P-nál a rések felé terjednek, ahol előnyösen szétszóródnak a szubsztrátumba, és fotoáramot hoznak létre (ábra. 2a és kiegészítő film 1). A beeső fény által gerjesztett spp-k a rács reflektor felé terjednek, ahol vissza vannak diffrakciózva a szabad térbe (ábra. 2b és kiegészítő Film 2). Ennek eredményeként a metasurface bevonatú fotodetektorok funkcionálisan egyenértékűek az apposition compound eye ommatidiájával, miközben fenntartják a standard képérzékelő tömbök sík geometriáját.

az imént leírt meta-felületek a plazmonika és a nanofotonika számos kulcsfontosságú ötletére támaszkodnak, amelyeket itt egy új eszközfunkcióra (irányított szűrés) alkalmaznak. Először is,a szubhullámhosszúságú réseknek az SPP-k sugárzással való hatékony összekapcsolására való képessége jól megalapozott a rendkívüli optikai átvitel16 összefüggésében,és már számos alkalmazásban17, 18, 19. Részletesen, amikor a felső fémfelületen terjedő SPP eléri a rés határait, a résen hatékonyan létrejön egy síkban oszcilláló dipólus vonal, amely ezután sugárzást bocsát ki, amely többnyire a magasabb indexű szubsztrátumba terjed. Ugyanezt a fordított viselkedést alkalmazták az SPP-k hatékony gerjesztésére is egy perforált fémfólia felső felületén, a hátsó oldal megvilágításán keresztül20,21,22. Másodszor, a rácsos reflektor kialakítása a lineáris fázisgradiensű meta-felületek fogalmán alapul23, 24, ahol összetett aszimmetrikus egységcellákat használnak a q diffrakciós rendek elnyomására, kivéve a q = -1-et (lásd a 2.Kiegészítő megjegyzést és a kiegészítő ábrát. 2). Ennek eredményeként az SPP átvitel (amely egyenértékű a nulla rendű diffrakcióval) gyakorlatilag tilos ebben az NP tömbben, így a beeső spp-k a rácscsatlakozóból (mint az ábrán. 2b) a lehető legkisebb számú periódussal teljesen szétszórható sugárzásba. Egy fotodetektor-tömbben az egyik pixel reflektorán keresztül továbbított SPP szétszórható és észlelhető egy szomszédos pixelbe. A lineáris fázisgradiens használata ezért kedvező a −6P-nél bekövetkező fényesülés által előidézett hamis fotoáramú jelek elkerülése érdekében (lásd a kiegészítő ábrát. 3). Hasonlóképpen, ha a q = +1 sorrend megengedett, a normál közeli beeső fényt a rács reflektor részlegesen diffraktálhatja spp −kbe, amelyek szintén közvetlenül a szomszédos pixelbe terjednek, ahol ismét nemkívánatos jelet produkálhatnak (ezzel szemben a rács reflektorban Q = -1 diffrakcióval gerjesztett SPP-k a-x irány mentén terjednek az egész NP tömbben, ahol abszorpció és szórás révén közel teljes csillapítást tapasztalhat, mielőtt elérné a másik oldalon lévő réseket).

Az imént leírt geometrián alapuló több eszközt, amelyek mindegyike csúcsfotodetekciót biztosít különböző szögben, a véges különbségidomén (FDTD) módszeren alapuló teljes hullámú elektromágneses szimulációk alkalmazásával tervezték. A Rácscsatlakozó periódusa mellett a fő tervezési paraméterek közé tartozik az NP-k száma (amelyek optimalizálhatók a maximális csúcsátvitelhez) és az NP szélessége (amelyeket a rács diffrakciós hatékonyságának maximalizálása érdekében kell kiválasztani, ugyanakkor elkerülve az SPP-k és az NPs által támogatott lokalizált plazmonikus rezonanciák közötti jelentős összekapcsolást); további részletek az 1.Kiegészítő megjegyzésben és a kiegészítő ábrán találhatók. 1. A 2C. ábra a számított p-polarizált erőátviteli együtthatót mutatja az optimalizált metafelületek halmaza esetében 60 = 1550 nm-en, az X–z síkban lévő pólus beesési szögének függvényében (a vonatkozó geometriai paramétereket a 3. kiegészítő megjegyzés és az 1. Kiegészítő táblázat sorolja fel). Ha a meta felületeket fotodetektor aktív anyagon állítják elő, akkor az észlelt jel arányos az átviteli együtthatójukkal. Az eszközök ábra. 2c ezért biztosítani hangolható irányított photodetection, széles tuning tartománya az a szög, csúcs kimutatására θp ±75° keskeny, szögletes felbontás, kezdve a 3° 14° teljes szélességű-a-fele-a maximális (FWHM), mint θp nőtt. A TP csúcsátviteli együttható az összes figyelembe vett terv esetében 35-45% tartományban van, a csúcs-átlag-háttér arány körülbelül 6. Elhaladva meg kell jegyezni, hogy a szerkezetben, ahol az adapterek = 0, a rácscsatlakozót mindkét oldalon rések veszik körül (mivel a kívánt szögválasz szimmetrikus), ami valamivel nagyobb Tp értéket eredményez. Az s-polarizált fény esetében az átvitel ugyanazon meta felületeken izotrop és szignifikánsan kisebb, <0,2% minden szögben (lásd a kiegészítő ábrát. 4.és az alábbiakban).

ugyanazon eszközök teljes szögválasz-mintáit az ábra színes térképei mutatják. 2d-f és kiegészítő ábra. Az 5. ábrán látható, ahol a meta-felület átviteli együtthatókat (reciprocitás alapú módszerrel számítva és mindkét polarizációra összegezve) mind a poláris, mind azimutális (azimutális)) megvilágítási szögek függvényében ábrázoljuk. Minden térképen, a nagy átvitel irányai C alakú régiót alkotnak a teljes féltekén belül, ami a beeső fény elsőrendű diffrakciójára utal a különböző kspp Hullámvektorok spp-jébe. Pontosabban, a C alakzatot a rendelkezésre álló SPP módok reciprok-tér eloszlása határozza meg 60-nál (piros kör az ábrán. 2e), lefordítva a rácsos vektor \({\hat {\mathbf{x}}}\) a rácsos csatoló 2 (amint azt a vízszintes nyilak mutatják ugyanazon az ábrán). Ez a viselkedés egyértelműen növeli az egyes pixelek által észlelt eseményirányok tartományát. Fontos azonban, hogy az alábbiakban ismertetett számítási képalkotó technikák lehetővé teszik az egy pixeles szögszelektivitáshoz képest nagyobb felbontású képek rekonstruálását, ha szögletes válaszaikban megfelelő átfedésekkel rendelkező eszközöket kombinálnak.

bármilyen beeső irány esetén az XZ-polarizált fény meta felületátvitele (pl., elektromos mezővel az x-z síkon) ismét sokkal nagyobb, mint az yz-polarizált fény esetében (lásd a 4.kiegészítő megjegyzést). Ez a viselkedés az SPP-k polarizációs tulajdonságaiból származik. Az SPP-k általában rendelkeznek egy síkban lévő elektromos térkomponenssel, amely párhuzamos a terjedési irányukkal15. Ezért a vizsgált geometriában az xz-polarizált beeső fény a leghatékonyabb az izgalmas spp-knél, amelyek az x tengelyhez képest kis szögben terjednek, és fordítva. Ugyanabban a geometriában, ahol a rések lineárisak és az y irány mentén orientálódnak, csak a nagy X-szel rendelkező spp-k (pl., merőleges) az elektromos mező komponense hatékonyan összekapcsolható sugárzással az oszcilláló dipólusok fent említett gerjesztése révén a réseken keresztül22. Ezekből a megfontolásokból következik, hogy az SPP módokat, amelyeket a rések erősebben szétszórnak az abszorbeáló szubsztrátumba, az xz-polarizált (az yz-polarizált) beeső fény is hatékonyabban gerjeszti. Ugyanezek a megfontolások magyarázzák azt is, hogy a metasurface átvitel miért van a ábra C alakú régióiban. A 2D-f a beeső fény azimutális szögének növekedésével csökken: minél nagyobb, annál kisebb a kspp hullámvektor x-komponense és az ennek megfelelően gerjesztett spp-k elektromos mezője (lásd a piros nyilakat az ábrán. 2e). Az ábra eszközeinek belső polarizációs függősége. 2 korlátozza általános érzékenységüket a tipikus képalkotó alkalmazásoknál, amelyek polarizálatlan fényt tartalmaznak. Ugyanakkor a számítási képalkotó technikákkal együtt ki lehetne használni a polarizációs látás lehetővé tételét, amely számos kívánatos funkciót kínál, mint például a csökkentett tükröződés és a jobb kontraszt25. Alternatív megoldásként a polarizációtól független szögérzékeny fotodetektorokat összetettebb metafelületekkel is meg lehetne tervezni, például kétdimenziós NP tömböket használva,amelyek lehetővé teszik a független fázis és polarizáció szabályozását26, 27.

kísérleti eredmények

az ábra metafelületei. A 2. ábra bármely síkbeli fotodetektor technológiára alkalmazható, függetlenül annak működési elveitől. Itt fém-félvezető-fém (MSM) ge fényvezetőket használunk, ahol fotoáramú jelet gyűjtünk a GE szubsztrát felső felületén lerakódott két elfogult elektródon. A szögérzékeny metafelület a két fémérintkező közötti aktív tartományra van mintázva. Míg a fotodiódák általában nagyobb teljesítményt nyújtanak, az MSM fotodetektorok gyártása különösen egyszerű, ezért kényelmes platformot biztosítanak a meta felület fejlesztésének vizsgálatához. A szögfelbontású fotoáram-mérések egyszerűsítése érdekében viszonylag nagy aktív területeket is használunk: mindegyik eszközben a két elektróda elválasztása D 600 6 m, a meta felület pedig néhány (5-6) azonos ismétlésből áll, amelyek azonos szerkezetű, a fig. 2a, az egyik szakasz rács reflektorával közvetlenül a következő szakasz rései mellett. A reprezentatív optikai és pásztázó elektronmikroszkópos (sem) képeket az ábra mutatja be. 3, bemutatva a teljes eszköz (ábra. 3A), egy metasurface szakasz (ábra. 3b), és egy sor rések (ábra. 3c).

reprezentatív kísérleti minták a–C Optikai (A) és SEM (b, c) képei. A skála sávja a-ban 100, b-ben 4, c-ben pedig 2. Az A-ban a teljes eszköz teljes metafelülete a teljes mintát lefedő Ti ablakon keresztül látható, amelyet a hamis fotoáramú jelek elkerülése érdekében vezetnek be. A C képe az NP tömb gyártása előtt készült. d-g négy eszköz fotoáramának szögfüggését mérte az ábra szerkezete alapján. A 2.ábrán látható, hogy a csúcsválasz közel van a (Z) = 0 (D), A (Z) 12 (e), a (Z) 28 (f) és a (z) 65 (g) hányadoshoz. Minden diagramban a fényáram a csúcsértékre normalizálódik. A SEM képek bizonyos eltéréseket mutatnak a tömb periódusaiban és az NP szélességekben a cél tervezési értékeitől. A mért értékek a D, e, f, illetve a g panel berendezéseinél a D = 1440, 1180, 1030 és 775 nm, illetve w = 240, 560, 526 és 256 nm. a H–k vonal a D-g térképeiből a D-G térképein végigkíséri a 6 = 0 (0) (0) (0) (0) (0) (XNUMX) irányt. az l p – (azaz xz -) és az S – (azaz yz–) polarizált válaszadási képesség az X-z síkban a poláris beesési szöggel szemben, három különböző mintával mérve: egy fémfólia nélküli referenciakészülék és NP tömb, valamint két meta-felületű bevonatú eszköz, amelyek a csúcs detektálását biztosítják a következők szerint: 62, illetve 65. A D–g panelek forrásadatai Forrásadatfájlokként vannak megadva.

ezekkel az eszközökkel végzett Szögfelbontású fotoáramú mérések a szimulációkkal összhangban nagyon irányított választ mutatnak (ábra. 3D-k és kiegészítő ábra. 8). Ezekben a mérésekben minden eszközt lézerfénnyel világítanak meg 1550 nm hullámhosszon, és a poláris és azimutális beesési szögeket változtatják, a fókuszáló optika forgatásával a minta körül, valamint a minta felületének normál forgatásával. Minden mintához két ortogonálisan polarizált szög-válasz térképet rögzítünk, összegüket az ábrán ábrázoljuk. 3d-g. a fenti tárgyalásnak megfelelően a mérési eredmények azt mutatják, hogy a legerősebb fotoáramú jel akkor érhető el, ha a beeső fény xz-polarizált, míg az yz-polarizált hozzájárulás lényegében elhanyagolható (lásd a kiegészítő ábrát. 7). Minden térkép ábra. A 3. ábra a várható C-alakú, nagy érzékenységű tartományt tartalmazza, amely a maximális meta-felület átvitelének tervezett sarkszöge közelében helyezkedik el (0, 12, 28, illetve 65 dB A D, e, f és g paneleknél). A poláris szög szelektivitása (fwhm) az azonos eszközök, mérve a 6 = 0 ++ vízszintes vonal vágott minden térkép ábrán látható. 3h-k, a 4-21-es tartományban van 6-21 fő között a növekvő sorrendben. A csúcs-átlag-háttér arány ~3 minden eszköz esetében. Ezek a mért jellemzők ésszerűen közel állnak az ábra szimulációs eredményeiből számított értékekhez. 2. A megfigyelt különbségek többnyire a kísérleti mintákban lévő felületi érdességnek köszönhetők (ami a beeső fény egy részét spp-kbe szórhatja, függetlenül annak terjedési irányától), valamint a tömb periódusaiban és az NP szélességekben bekövetkező kis eltéréseknek (leginkább a xhamp-t érintik). Mindenesetre, az alábbiakban leírtak szerint, ezek a kísérleti értékek már teljesen megfelelőek a kiváló minőségű képrekonstrukcióhoz.

a metafelületek csúcsátvitelének értékeléséhez a két elektróda közötti fémfólia és NP tömb nélküli, egyébként azonos csupasz mintákat is gyártottak és teszteltek. A 3l. ábra egy ilyen minta poláris-szögfelbontású p-és s – polarizált válaszadási képességét mutatja, két meta-felület eszközzel mért adatokkal együtt. A csúcsdetektálási szögük 12, illetve 65, az utóbbi eszközök p-polarizált válaszkészsége a csupasz mintából a megfelelő érték ~42% – ára, illetve 36% – ára csökken, kiváló összhangban a fig szimulációs eredményeivel. 2C. sajnos szélesebb körű mennyiségi összehasonlítás az összes kísérleti eszköz között. 3 nem lehetséges a sötét ellenállásuk nagy eltérései miatt. Ilyen eltéréseket figyeltek meg még az azonos kialakítású különböző minták között is (beleértve a különböző csupasz mintákat is), a válaszkészség a sötét ellenállással folyamatosan növekszik, és valószínűleg a gyártás által kiváltott hibák okozzák, amelyek befolyásolják a hordozó sűrűségét vagy elősegítik az áramszivárgást. Ennek eredményeként az ábrán. 3l csak az azonos sötét ellenállású készülékekkel mért adatokat tartalmazza (~1,5 K 6). Azt is meg kell jegyezni, hogy az értékek a csúcs responsivity per alkalmazott feszültség ábrán látható. A 3l (~10 mA W−1 V−1) ésszerű az ilyen típusú fotodetektorok esetében, különös tekintettel a nagy elektródák közötti elválasztásukra D 300 MHz, ami korlátozza a fényvezető erősítést (arányos 1/d2)28.

Képrekonstrukció

ezután megvizsgáljuk az imént leírt szögérzékeny fotodetektorok képalkotási képességeit. Egy lencse nélküli összetett szem kamera architektúrát veszünk figyelembe, amely ezen eszközök síkbeli tömbjéből áll, mindegyik pixel irányított fotodetekciót biztosít a poláris és azimutális szögek eltérő kombinációjában (a továbbiakban: a). A (Z) Ft értékét a rácscsatlakozó kialakításának változtatásával lehet szabályozni, amint azt fentebb tárgyaltuk. Rögzített kialakítás esetén az ONS változtatható úgy, hogy egyszerűen elforgatja a teljes metafelületet a megfelelő fényérzékelőn normál felülete körül. Ezt a pixelelrendezést használva numerikus szimulációk sorozatát hajtottuk végre a következő képképző modell segítségével. Az objektumokat kellően távol tartjuk a pixel tömbtől, hogy minden szög egyedileg megfeleljen az objektum különböző térbeli pontjának (ábra. 4a). Minden pixel integrálja a szögválaszának megfelelően észlelt teljes intenzitást. A képképző folyamat ezután leírható egy lineáris mátrixegyenlettel y = Ax, amely az objektum intenzitáseloszlását (x) a rögzített adatokhoz (y) egy érzékelő mátrix (a) (ábra. 4b). Az egyes pixelek szögválasza az a különböző sorvektorát képezi, amely számszerűsíti az objektum különböző pontjaiból származó pixeljelhez való intenzitás hozzájárulását29. Az objektum intenzitáseloszlásának eléréséhez képrekonstrukciót hajtunk végre a csonka szinguláris értékbontás (TSVD) technikán alapul30. A becsült objektumot a \({\hat{\mathbf{x}}} = \mathop{\sum}\nolimits_ {l = 1}^l {\frac {1} {{\sigma _l}} ({\mathbf {y}}, {\mathbf {u}} _l) {\mathbf {v}} _l\) adja meg, ahol az ul és a vl a bal oldali és a jobb oldali szinguláris vektort jelöli, és az ennek megfelelő szinguláris értéket, míg az OHL a megfelelő szinguláris érték. Az L egy regularizációs paraméter, amely meghatározza a tsvd megoldásban használt egyes Vektorok számát, amelyet a rekonstruált kép vizuális ellenőrzésén alapuló kézi hangolással optimalizálnak.

a képalkotó geometria vázlatos ábrázolása. Minden pixel szögválaszának megfelelően integrálja a beeső fény intenzitását különböző irányokból. b kép-formációs modell. A pixel-tömb mérése az objektumhoz lineáris egyenlettel kapcsolódik y = Ax, ahol az érzékelő mátrix a tartalmazza az összes pixel szögválaszát. a C-F reprezentatív objektum (c) és a megfelelő képrekonstrukció eredménye SNR = 56 dB (d–f). g-J példa egy összetettebb objektumra (g) és a megfelelő képrekonstrukció eredménye SNR = 73 dB (h–j). Az eredeti operatőr képet (g) a szerzői jog tulajdonosának (Massachusetts Institute of Technology) engedélyével használják. A képek a d, h alapulnak szimulált válaszadási minták ábra. 2 6240 pixeles tömbbel, 0 = 1550 nm-nél. Az e és i képei a Fig kísérleti válaszadási mintáin alapulnak. 3 5280 pixeles tömbbel, 0 = 1550 nm-nél. Az f és j képek a szimulált mintákon alapulnak széles sávú megvilágítás mellett, sávszélesség (6/0) = 10% (F) és 5% (J). A képrekonstrukciós algoritmus nyilvánosan elérhető .

ezzel a megközelítéssel érvényesítettük mind a tervezett, mind a gyártott metasurface-ek képességét, hogy lehetővé tegyék a komplex képrekonstrukciót. A tervezett szerkezetekhez, az a érzékelőmátrix az ábra számított szögválasz-térképeiből épül fel. 2d-f és kiegészítő ábra. 5, a további metafelületek interpolációival együtt, amelyek csúcsátvitelt biztosítanak különböző sarki szögekben. Az új pixelválaszok interpolálásának módszerét a 6. kiegészítő megjegyzés részletezi, több interpolált példát pedig a kiegészítő ábrák mutatnak be. 9 és 10. A különböző pixelek szükséges számát úgy határozzuk meg, hogy kiszámítjuk az összes pixelválasz szuperpozícióját az egységes látómező-lefedettség biztosítása érdekében, valamint további képalkotó szimulációk segítségével (lásd a 7.kiegészítő megjegyzést és a kiegészítő ábrát. 11). Ennek az elemzésnek az alapján választjuk ki a (Z) ++ = 1 értéket.5 (6240) képpont, amely a tervezett metafelületek teljes (75) látómezőjét lefedi, az egymást követő pixelek csúcsdetektálási irányai közötti szögtávolságokra vonatkozik, amelyek jó képrekonstrukciós minőséget biztosítanak, és viszonylag kis számú (6240) képpontot biztosítanak. Nagyobb távolság esetén a rekonstrukciós eredmények sugárirányban orientálódnak béren kívüli leletek a szögletes válaszok hiányzó lefedettsége miatt. Nagyobb távolság esetén a felbontás különösen a magas poláris szögű régiókban romlik. Hasonló eljárást alkalmaznak azonos szögközökkel a kísérleti eszközök modellezéséhez, ábra mért szögválasz-térképei alapján. 3D-g és kiegészítő ábra. 8. Ezeknek az interpolációknak a látómezője 65 (a jelen mintákkal mért csúcsdetektálás maximális poláris szöge korlátozza) 5280 pixelre terjed ki.

fehér Gauss-zaj is hozzáadódik a rögzített adatokhoz (a vektorok y) a reális fotodetektor teljesítményének figyelembevétele érdekében (lásd a 8.kiegészítő megjegyzést). Általában a CCD/CMOS kamera jel-zaj arányát (SNR) korlátozza az egyes pixelek telítettségi töltése (teljes kútkapacitása). Ezenkívül növelhető (\(\sqrt N\) tényezővel) az (N) azonos pixelek jeleinek átlagolásával, a felbontás arányos csökkenésének és/vagy az aktív terület növekedésének rovására. Itt 56 dB (azaz ysignal/ynoise = 631) alapszintű EGYPIXELES SNR-t használunk, amint azt a szakirodalom a standard CMOS technológiával és az optimalizált áramköri tervekkel közli, még olyan kicsi pixelmagasság esetén is, mint ~8 kb 31,32. Emellett SNR = 63 és 73 dB szimulációkat is végzünk, amelyek nagyobb tömbökkel érhetők el, ahol az egyes metafelület-kialakításokat n = 5 és 50 pixelekre alkalmazzák, amelyek jeleit ezután összekapcsolják és átlagolják. A pixelek teljes száma ennek megfelelően körülbelül 260 000-re, illetve 310 000-re nő (a mért és szimulált eszközökön alapuló kamerák esetében a legmagasabb SNR 73 dB), ami még mindig jóval a jelenlegi CMOS technológia tartományán belül van. Meg kell jegyeznünk, hogy ugyanazok az SNR értékek a pixelszám, a pixelméretek, a teljes kútkapacitás és az n bin méret számos más kombinációjával is elérhetők.

készülékeink szimulált képalkotási képességeit az ábra szemlélteti. 4. A 4C–f ábra egy viszonylag egyszerű objektumra (a sebességkorlátozó jelzőtábla) kapott eredményeket tartalmazza. 4C), a kiindulási SNR 56 dB. Egy összetettebb tárgy (az operatőr képe ábra. 4G) Az ábrán látható. 4g-j, a nagyobb SNR-nél 73 dB. Szimulációs eredmények tömbök származó mindkét számított (ábra. 4D, h) és mért (ábra. 4E, i) szögletes válasz térképek kerülnek bemutatásra. Kiváló minőségű képrekonstrukció érhető el minden esetben, mindkét objektum legfontosabb jellemzői hűen reprodukálva. A kapott eredmények összehasonlítása a számított és a mért szögválaszokkal az utóbbi esetben némi felbontásvesztést mutat, amelyet a kísérleti térképek alacsonyabb szögszelektivitása és magasabb háttérszintje okoz. Mindenesetre ezek az adatok egyértelműen bizonyítják a jól felismerhető képek rekonstruálásának képességét, még a gyártott eszközök mért jellemzői alapján is. Ezeket a megfigyeléseket számos más, eltérő összetettségű objektummal végzett kiterjedt szimuláció erősíti meg különböző SNR-eknél, amint azt a kiegészítő ábra mutatja. 12.

végül megvizsgáljuk, hogy ugyanazon eszközök képalkotási képességeit hogyan befolyásolja a beeső fény optikai sávszélessége a polikromatikus megvilágítás alatt. Az eddig alkalmazott szögválasz-térképeket vagy kiszámítják, vagy egyetlen hullámhosszon mérik – a cél tervezési értéke 60 = 1550 nm. Ugyanabban az időben, meta felületeink diffraktív jellege miatt, átviteli tulajdonságaik várhatóan az incidens hullámhosszától függően változnak. Fontos azonban, hogy ezeket a variációkat számítástechnikai képalkotási megközelítésünkben figyelembe lehet venni, így a jól felismerhető képek ésszerűen polikromatikus megvilágítás mellett is rekonstruálhatók, csak viszonylag kis felbontásveszteséggel. Különösen, ha a beeső spektrum véges sávszélességre terjed ki, akkor az egyes eszközök szögválaszára gyakorolt fő hatás a detektálási csúcs arányos kiszélesedése. Használja az optikai állapot a fenti találunk δθp = δλ/λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, ahol θp a poláris szög, csúcs kimutatására a λ0, az SPP hatékony index nSPP = λ0/λSPP az ~1.06 a metasurface tervek Ábra. 2. Az ilyen kiszélesítés a képrekonstrukciós szimulációkba belefoglalható a monokromatikus pixelválasz és egy Gauss-féle elmosódó kernel közötti 2D-s konvolúción keresztül, amelynek szélessége kb. A szimulált térképekre alkalmazott megközelítéssel kapott képek példáit az ábra mutatja. 4f, j, beleértve az egyszerű sebességkorlátozó jelet, amelyet sávszélességgel ábrázoltak 6%-os/10% – os sávszélességgel 56 dB SNR-nél (ábra. 4F) és a bonyolultabb operatőr kép A (Z) 6/0 = 5% és 73 dB SNR (ábra. 4j). Mindkét objektum legfontosabb jellemzői ismét jól reprodukálódnak a képeken. További példák a kiegészítő ábrán találhatók. 13. Az ezekben a szimulációkban figyelembe vett képalkotó helyzetek a gyakorlatban úgy valósíthatók meg, hogy a teljes kamerarendszert 155 vagy 77 nm sávszélességű sáváteresztő szűrővel fedik le. Nagyobb működési sávszélességet, jobb képminőséget lehetne elérni bonyolultabb gradiens metafelületekkel, olyan alkotóelem elemekkel, amelyeket úgy terveztek, hogy ugyanazt a választ adják több hullámhosszon, mint a szélessávú fémekkel kapcsolatos legutóbbi munkákban33. Ugyanakkor az is lehetséges, hogy az objektum színeloszlásáról bizonyos információkat nyerjünk ki, először az egyes pixelek spektrális válaszainak jellemzésével, majd egy többcsatornás képrekonstrukciós eljárással, hasonlóan a diffraktív-optika-alapú színes képalkotás34.