Metasurface design

prinsippet om drift av vinkelsensitive enheter utviklet i dette arbeidet er illustrert I Fig. 2. Fotodetektorens aktive materiale (en ge-fotoleder) er belagt med et komposittmetasoverflate bestående av en metallfilm stablet med en rekke rektangulære metalliske nanopartikler (NPs). Metasurface består av tre forskjellige seksjoner-en periodisk gitterkobling, en gitterreflektor og et sett med slisser gjennom den underliggende metallfilmen. Gull brukes som valgmateriale for alle metalliske egenskaper, på grunn av dets gunstige plasmoniske egenskaper ved infrarøde bølgelengder15. To dielektriske lag (SiO2) innføres også umiddelbart under Og over Au-filmen, for å gi elektrisk isolasjon fra det aktive laget og for å kontrollere henholdsvis film-np-koblingen. Fordi metallfilmen er optisk tykk (100 nm), kan fotodeteksjon bare skje gjennom en indirekte prosess der lyshendelse i ønsket vinkel først diffrakteres av NPs (i den periodiske gitterkoblingsdelen) til overflateplasmon polaritoner (SPPs)—dvs.guidede elektromagnetiske bølger som forplanter seg langs Au-air-grensesnittet. Et lite antall subwavelength spalter i metallfilmen blir deretter brukt til å spre Disse SPPs inn stråling forplantning hovedsakelig inn i det absorberende aktive lag. Som et resultat produseres et fotocurrent signal mellom to forspente elektroder plassert over metasoverflaten.

A, B Skjematiske illustrasjoner av metasurface geometri og prinsippet om drift. Lyshendelse i ønsket deteksjonsvinkel +θ (a) diffrakteres av gitterkoblingen til SPPs som forplanter seg mot slissene, hvor de fortrinnsvis er spredt inn i det absorberende substratet. Lyshendelse i motsatt vinkel-θ (b) diffrakteres AV NP-arrayet til SPPs som forplanter seg mot gitterreflektoren, hvor DE diffrakteres tilbake til stråling. Lyshendelse i en hvilken som helst annen vinkel reflekteres i stedet helt eller diffrakt bort fra overflaten. C Beregnet optisk transmisjonskoeffisient ved λ0 = 1550 nm gjennom seks forskjellige metasurfaces for p polarisert lys versus innfallsvinkel på x-z-planet. Gitterkoblingsperioden (antall NPs) varierer fra 1465 til 745 nm (15 til 29) for å øke vinkelen for toppdeteksjon. NP-breddene varierer mellom 250 og 570 nm. d-f – overføringskoeffisient på tre metasurfaces fra c som en funksjon av både polar θ og azimuthal ϕ belysningsvinkler, summert over xz og yz polariseringer. I hvert kart, kx og ky er in-plane komponenter av hendelsen-lys wavevector, og fargeskalaen er normalisert til den maksimale (MAKS) overføringsverdi. I e, solid rød sirkel av radius kSPP indikerer de tilgjengelige SPP moduser på toppen metalloverflaten; stiplede buet linje fremhever hendelsen retninger av peak overføring; de horisontale grå pilene (med lengde 2π/Λ) illustrerer hvordan lyshendelser langs disse retningene kan opphisse SPPs ved negativ førstegangsdiffraksjon; og de røde pilene viser retningene for forplantning av de opphissede SPPs.

hendelsesvinkelen for toppdeteksjon styres av gitterkoblingsperioden Λ. Spesielt spps forplantning langs den ∓x-retningen Til Fig. 2a, b kan være glade via first-order diffraksjon av lys hendelsen (på x–z-planet) på like stor og motsatt rettet vinkler ±θp bestemt av diffraksjon tilstand (2πsinθp)/λ0 − 2π/Λ = −2π/λSPP, hvor λ0 og λSPP er bølgelengdene av hendelsen lys og glade SPPs, henholdsvis. Lyshendelse i en hvilken som helst annen vinkel blir i stedet fullstendig reflektert eller diffraktert bort fra overflaten(spesielt unngås eksitering Av Spp ved alle høyere diffraksjonsordener ved å holde Λ mindre enn λ). Selektiv deteksjon av bare en hendelsesretning (f. eks., +hryvp) oppnås da ved å omgi gitterkoblingen med slissene på den ene siden (i-x-retningen) og gitterreflektoren på den andre siden (i +x-retningen). Reflektoren er en annen rekke rektangulære Np-er designet for å spre innkommende Spp-er til lys som utstråler seg bort fra prøven nær overflatenes normale retning. Med denne ordningen, SPPs opphisset av hendelsen lys på +θ forplante mot spaltene, hvor de er fortrinnsvis spredt i underlaget og produsere en photocurrent (Fig. 2a Og Supplerende Film 1). Spp-ene opphisset av hendelseslyset ved-θ forplanter seg mot gitterreflektoren, hvor de diffrakteres tilbake til ledig plass (Fig. 2b Og Supplerende Film 2). Som et resultat er de metasurface-belagte fotodetektorene funksjonelt ekvivalente med ommatidia av apposition compound eye, samtidig som de opprettholder den plane geometrien til standard bildesensorarrayer.metasurfaces nettopp beskrevet stole på en rekke sentrale ideer fra plasmonics og nanophotonics, her brukt på en ny enhet funksjonalitet (retningsfiltrering). For det første er evnen til subwavelength slits å effektivt par SPPs til stråling godt etablert i sammenheng med ekstraordinær optisk overføring16 og har allerede blitt utnyttet for ulike applikasjoner17, 18, 19. I detalj, når EN SPP forplantning på den øverste metalloverflaten når spaltegrensene, produseres en linje med oscillerende dipoler i flyet effektivt over spalten, som deretter vil avgi stråling som for det meste forplantes inn i det høyere indekssubstratet. Den samme virkemåten i revers har også vært ansatt for effektiv eksitering Av SPPs på den øvre overflaten av en perforert metallfilm, via belysning fra baksiden20, 21, 22. For det andre er utformingen av gitterreflektoren basert på begrepet metasurfaces med en lineær fasegradient23, 24, hvor sammensatte asymmetriske enhetsceller brukes til å undertrykke alle ordrer av diffraksjon q unntatt q = -1(se Tilleggsnotat 2 Og Tilleggsfigur. 2). SOM et resultat er SPP-overføring (som tilsvarer nullordensdiffraksjon) effektivt forbudt i denne NP-arrayen, slik at hendelsen SPPs fra gitterkoblingen (Som I Fig. 2b) kan være helt spredt i stråling med minst mulig antall perioder. I en fotodetektor array, kan NOEN SPP overføres over reflektoren av en piksel være spredt og oppdaget i en nærliggende piksel. Bruken av en lineær fasegradient er derfor gunstig for å unngå falske fotocurrent-signaler produsert av lyshendelse ved-θ (Se Tilleggsfigur. 3). På samme måte, hvis q = + 1-ordren ble tillatt, kunne nesten normalt innfallslys delvis diffrakteres av gitterreflektoren til Spp-er som også forplanter seg direkte til en nabopiksel, hvor de igjen kunne produsere et uønsket signal (i kontrast vil enhver SPP spent i gitterreflektoren ved q = -1 diffraksjon forplante seg langs – x-retningen over HELE NP-arrayet, hvor det kan oppleve nær fullstendig demping gjennom absorpsjon og spredning før de når spaltene på den andre siden).

Flere enheter basert på geometrien som nettopp er beskrevet, som hver gir toppfotodeteksjon i en annen vinkel, har blitt designet ved hjelp av fullbølge elektromagnetiske simuleringer basert på fdtd-metoden (finite difference time domain). I tillegg til gitterkoblingsperioden Λ, inkluderer viktige designparametere antall NPs (som kan optimaliseres for maksimal toppoverføring) og np-bredden (som bør velges for å maksimere gitterdiffraksjonseffektiviteten, samtidig som man unngår signifikant kobling Mellom SPPs og lokaliserte plasmoniske resonanser støttet Av NPs); flere detaljer finner Du I Tilleggsnotat 1 og Tilleggsfigur. 1. Figur 2c viser den beregnede p-polariserte effektoverføringskoeffisienten for et sett optimaliserte metasurfaces ved λ0 = 1550 nm, som en funksjon av polar innfallsvinkel på xz-planet (de relevante geometriske parametrene er oppført I Tilleggsnotat 3 og Tilleggstabell 1). Hvis metasurfaces er fabrikkert på et fotodetektor aktivt materiale, er det detekterte signalet proporsjonalt med deres overføringskoeffisient. Enhetene Til Fig. 2c kan derfor gi justerbare retningsbestemt photodetection, med et bredt tuning rekkevidde for vinkelen på topp deteksjon θp på ±75° og smale angular resolution, alt fra 3° 14° full bredde-til-halv-maksimum (FWHM) som θp er økt. Toppoverføringskoeffisienten Tp er i området 35-45% for alle design som vurderes, med et topp-til-gjennomsnittlig bakgrunnsforhold på ca. 6. I forbifarten skal det bemerkes at gitterkoblingen i strukturen med θ = 0° er omgitt av slisser på begge sider (siden ønsket vinkelrespons er symmetrisk), noe som fører til en noe større verdi Av Tp. For s-polarisert lys er overføringen gjennom de samme metasurfaces isotrop og signifikant mindre, <0,2% i alle vinkler (se Supplerende Fig. 4 og diskusjon nedenfor).

de fulle vinkelresponsmønstrene til de samme enhetene er vist I fargekartene I Fig. 2d-f Og Supplerende Fig. 5, hvor metasurface – overføringskoeffisientene (beregnet med en gjensidighetsbasert metode og summert over begge polarisasjonene) er plottet som en funksjon av både polare θ og azimuthal ϕ belysningsvinkler. I hvert kart danner retningene for høy overføring En C-formet region i hele halvkule, noe som indikerer førsteordens diffraksjon av hendelseslyset i SPPs av forskjellige wavevektorer kSPP. Spesifikt bestemmes C-formen av den gjensidige romfordelingen av de tilgjengelige spp-modusene ved λ 0 (rød sirkel I Fig. 2e), oversatt av gittervektoren \({\hat{\mathbf{x}}}\) 2 ④ av gitterkoblingen (som vist med de horisontale pilene i samme figur). Denne virkemåten øker tydelig rekkevidden av hendelsesretninger som oppdages av hver piksel. Det er imidlertid viktig at beregningsmessige bildeteknikker som er beskrevet nedenfor, tillater rekonstruering av bilder med høyere oppløsning sammenlignet med vinkelselektiviteten med en piksel, hvis enheter med passende overlapper i deres vinkelresponser kombineres.

for enhver hendelse retning, metasurface overføring for xz-polarisert lys (dvs., med elektrisk felt på x-z-planet) er igjen mye større enn for yz-polarisert lys(se Tilleggsnotat 4). Denne virkemåten stammer fra polarisasjonsegenskapene Til SPPs. Generelt har SPPs en elektrisk feltkomponent i flyet som er parallell med deres forplantningsretning 15. Derfor, i geometrien under studien, er xz-polarisert hendelseslys mest effektivt ved spennende SPPs som forplanter seg i liten vinkel med hensyn til x-aksen og omvendt. I samme geometri, hvor slissene er lineære og orientert langs y-retningen, er Bare SPPs med en stor x (dvs ., vinkelrett) komponent av det elektriske feltet kan effektivt kobles til stråling gjennom den nevnte eksitering av oscillerende dipoler over slissene22. Det følger av disse hensynene at SPP-modusene som er sterkere spredt av slissene i det absorberende substratet, også er mer effektivt opphisset av xz-polarisert (sammenlignet med yz-polarisert) hendelseslys. De samme hensyn også forklare hvorfor metasurface overføring innenfor De C-formede områder Av Fig. 2d-f avtar med økende azimutal vinkel ϕ av det innfallende lyset: jo større ϕ, desto mindre er x-komponentene til wavevector kSPP og elektrisk felt av tilsvarende spente SPPs (se røde piler I Fig. 2e). Den iboende polarisasjonsavhengigheten av enhetene I Fig. 2 begrenser deres generelle følsomhet for typiske bildebehandlingsprogrammer som involverer upolarisert lys. Samtidig kan den utnyttes i forbindelse med beregningsmessige bildeteknikker for å muliggjøre polarisasjonsvisjon, som tilbyr flere ønskelige funksjoner som redusert blending og forbedret kontrast25. Alternativt kan polarisasjonsuavhengige vinkelsensitive fotodetektorer også utformes med mer komplekse metasurfaces, f. eks. ved hjelp av todimensjonale NP-arrayer som tillater uavhengig fase-og polarisasjonskontroll26,27.

Eksperimentelle resultater

metasurfaces Av Fig. 2 kan brukes på en hvilken som helst plan fotodetektorteknologi uavhengig av operasjonsprinsippene. Her bruker vi metall-halvleder-metall (MSM) ge fotoledere, hvor et fotocurrent signal samles over to forspente elektroder avsatt på toppen av Et ge-substrat. Den vinkelsensitive metasurface er mønstret på den aktive regionen mellom de to metallkontaktene. Mens fotodioder generelt gir høyere ytelse, ER MSM-fotodetektorer spesielt enkle å fremstille og gir derfor en praktisk plattform for å undersøke metasurface-utviklingen. For å forenkle vinkeloppløste fotocurrentmålinger bruker vi også relativt store aktive områder: i hver enhet er separasjonen mellom de to elektrodene d ≈ 300 µ, og metasurface består av noen få (5-6) identiske repetisjoner av en samme struktur basert på Fig. 2a, med ristreflektoren til en seksjon rett ved siden av spaltene i neste seksjon. Representative optiske og scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder er presentert I Fig. 3, viser en komplett enhet (Fig. 3a), en metasurface-seksjon (Fig. 3b), og et sett med åpninger (Fig. 3c).

a–C Optiske (a) og SEM (b, c) bilder av representative eksperimentelle prøver. Målestangen er 100 µ i a, 4@m i b og 2 µ i c. I en hele metasurface av en komplett enhet er sett gjennom Et ti vindu som dekker hele prøven, som er innført for å unngå falske photocurrent signaler. Bildet av c ble tatt før fabrikasjon AV NP-arrayet. d-g Målt vinkelavhengighet av fotocurrent av fire enheter basert På Strukturer Av Fig. 2, som gir maksimal respons nær θ = 0° (d), 12° (e), 28° (f) og 65° (g). I hver tomt normaliseres fotocurrent til toppverdien. SEM-bilder viser noen avvik i matriseperioder og np-bredder fra måldesignverdiene. De målte verdiene er Λ = 1440, 1180, 1030 og 775 nm og w = 240, 560, 526 og 256 nm for enhetene til panelene d, e, f og g, henholdsvis. h-k-Linjen skanner langs henholdsvis ϕ = 0° retning fra kartene til d–g. l p – (dvs. xz -) og s – (dvs. yz -) polarisert responsivitet versus polar innfallsvinkel på xz-planet, målt med tre forskjellige prøver: en referanseinnretning uten metallfilm og NP-matrise, og to metasurface-belagte enheter som gir toppdeteksjon ved θ = henholdsvis 12° og 65°. Kildedata for paneler d-g er gitt Som Kilde datafiler.

Vinkel-løst photocurrent målinger med disse enhetene viser svært retningsbestemt respons i god avtale med simuleringene (Fig. 3d-k Og Supplerende Fig. 8). I disse målingene blir hver enhet opplyst med laserlys ved 1550 nm bølgelengde, og de polare og azimutale innfallsvinklene varieres henholdsvis ved å rotere fokusoptikken om prøven og ved å rotere prøven om overflaten normal. To ortogonalt polariserte vinkelresponskart registreres for hver prøve, Og deres summer er plottet I Fig. 3d-g. I Samsvar med diskusjonen ovenfor indikerer måleresultatene at det sterkeste fotocurrentsignalet oppnås når hendelseslyset er xz-polarisert, mens det yz-polariserte bidraget i det vesentlige er ubetydelig (se Supplerende Fig. 7). Hvert kart Over Fig. 3 har den forventede C-formede regionen med høy responsivitet, sentrert nær den utformede polarvinkelen for maksimal metasurface-overføring θ (0, 12, 28 og 65° for henholdsvis paneler d, e, f og g). Polarvinkelselektiviteten (FWHM) for de samme enhetene, målt fra ϕ = 0° horisontal linjeskåret på hvert kart vist på Fig. 3h-k, er i området 4-21③ i rekkefølge av økende θ. Topp-til-gjennomsnittlig bakgrunnsforhold er ~3 for alle enheter. Disse målte egenskapene er rimelig nær de beregnede verdiene fra simuleringsresultatene Til Fig. 2. De observerte forskjellene skyldes for det meste tilstedeværelsen av noe overflateruhet i de eksperimentelle prøvene (som kan spre noe av hendelseslyset til SPPs uavhengig av forplantningsretningen), samt små avvik i arrayperioder og np bredder (for det meste påvirker θ). I alle fall, som beskrevet nedenfor, er disse eksperimentelle verdiene allerede fullt tilstrekkelige for bildekvalitet av høy kvalitet.for å evaluere toppoverføringen av metasurfaces, ble ellers identiske bare prøver uten metallfilm og NP-array mellom de to elektrodene også produsert og testet. Figur 3l viser polar-vinkel-løst p – og s-polarisert responsivitet av en slik prøve, sammen med data målt med to metasurface enheter. Ved deres vinkler av toppdeteksjon av 12° og 65° reduseres de p-polariserte responsene til sistnevnte enheter til henholdsvis ~42% og 36% av den tilsvarende verdien fra den bare prøven, i utmerket avtale med simuleringsresultatene Fra Fig. 2c. Dessverre, en mer omfattende kvantitativ sammenligning blant Alle eksperimentelle enheter Av Fig. 3 er ikke mulig på grunn av store variasjoner i deres mørke motstander. Slike variasjoner ble observert selv blant forskjellige prøver basert på samme design (inkludert forskjellige nakne prøver), med responsiviteten konsekvent økende med mørk motstand, og er muligens forårsaket av fabrikasjonsinducerte feil som påvirker bærertettheten eller fremmer nåværende lekkasje. Som et resultat, I Fig. 3l vi inkluderer bare data målt med enheter med samme mørke motstand (~1.5 kΩ). Det bør også bemerkes at verdiene av peak responsivitet per anvendt spenning vist I Fig. 3l (~10 mA W−1 V−1) er rimelig for denne typen fotodetektorer, spesielt gitt deres store interelektrodeseparasjon d ≈ 300 µ, som begrenser den fotoledende gevinsten (proporsjonal med 1/d2)28.

Bilde rekonstruksjon

Neste undersøker vi bildefunksjonene til de vinkelsensitive fotodetektorene som nettopp er beskrevet. Vi anser en linseløs kompaktøyekameraarkitektur som består av en plan array av disse enhetene, med hver piksel som gir retningsbestemt fotodeteksjon toppet i en annen kombinasjon av polare og azimutale vinkler (henholdsvis θ og ϕ). Verdien av θ kan styres ved å variere gitterkoblingsdesignet, som diskutert ovenfor. For en fast design kan ϕ varieres ved ganske enkelt å rotere hele metasurface om overflaten normal på den tilsvarende fotodetektoren. Ved hjelp av dette pikselarrangementet har vi gjennomført en rekke numeriske simuleringer av følgende bildeformasjonsmodell. Vi vurderer objekter tilstrekkelig langt borte fra pikselarrayet slik at hver vinkel tilsvarer unikt til et annet romlig punkt på objektet(Fig. 4a). Hver piksel integrerer den totale intensiteten som oppdages i henhold til sin vinkelrespons. Bildeformasjonsprosessen kan da beskrives ved en lineær matriseligning y = Ax, som relaterer objektets intensitetsfordeling (x) til de fangede dataene (y) av en sensingmatrise (A) (Fig. 4b). Vinkelresponsen til hver piksel danner en annen radvektor Av A, som kvantifiserer intensitetsbidragene til pikselsignalet fra forskjellige punkter på objektet29. For å oppnå objektets intensitet distribusjon, utfører vi bilde rekonstruksjon basert på avkortet singular verdi dekomponering (TSVD) technique30. Det estimerte objektet er gitt ved \({\hat {\mathbf{x}}} = \mathop{\sum}\nolimits_{l = 1}^l {\frac{1}{{\sigma _l}} ({\mathbf{y}}, {\mathbf{u}} _l){\mathbf{v}} _l\), hvor ul og vl betegner henholdsvis lth venstre og høyre entallsvektor, og σ er den tilsvarende entallsverdien. L er en regularisering parameter som definerer antall entall vektorer som brukes I TSVD løsning, som er optimalisert ved manuell tuning basert på visuell inspeksjon av det rekonstruerte bildet.

En Skjematisk illustrasjon av bildegeometrien. Hver piksel integrerer hendelseslysintensiteten fra forskjellige retninger i henhold til vinkelresponsen. B Image-formasjon modell. Piksel-matrisemålingen er relatert til objektet med en lineær ligning y = Ax, hvor sensormatrisen a inneholder vinkelresponsene til alle piksler. c-f Representativt objekt (c) og tilsvarende bilde rekonstruksjon resultater VED SNR = 56 dB (d–f). g-j Eksempel på et mer komplekst objekt (g) og tilsvarende bilde rekonstruksjon resultater VED SNR = 73 dB (h–j). Det opprinnelige kameramannbildet (g) brukes med tillatelse fra eieren av opphavsretten (Massachusetts Institute Of Technology). Bildene av d, h er basert På Simulerte responsivitetsmønstre Av Fig. 2 med en 6240-piksel array ved λ = 1550 nm. Bildene av e og i er basert På de eksperimentelle responsivitetsmønstrene Til Fig. 3 med en 5280-piksel array ved λ = 1550 nm. Bildene av f og j er basert på simulerte mønstre under bredbåndsbelysning med båndbredde δλ/λ0 = 10 % (f) og 5 % (j). Bildekonstruksjonsalgoritmen er gjort offentlig tilgjengelig .

med denne tilnærmingen, har vi validert evnen til både våre designet og fabrikkert metasurfaces å aktivere komplekse bilde rekonstruksjon. For de konstruerte strukturer er sensormatrisen a konstruert fra De beregnede vinkelresponskartene Til Fig. 2d-f Og Supplerende Fig. 5, sammen med deres interpolasjoner for ytterligere metasurfaces som gir toppet overføring i forskjellige polare vinkler. Metoden for interpolering av nye pikselresponser er beskrevet I Supplerende Note 6, og flere interpolerte eksempler er vist I Supplerende Figs. 9 og 10. Det nødvendige antall forskjellige piksler bestemmes ved å beregne superposisjonen av alle pikselresponsene for å sikre ensartet synsfeltdekning, og gjennom ytterligere bildesimuleringer (se Tilleggsnotat 7 Og Tilleggsfigur. 11). Basert på denne analysen velger Vi Δθ = 1.5° Og Δϕ = 3 ° for vinkelavstanden mellom retningene for toppdeteksjon av påfølgende piksler, noe som gir god bildekonstruksjonskvalitet med et rimelig lite antall piksler (6240) som dekker hele ±75° synsfelt på de utformede metasurfacene. Med større avstand i θ lider rekonstruksjonsresultatene av radialt orienterte utkantartefakter på grunn av manglende dekning i vinkelresponsene. Med større avstand i ϕ, nedbrytes oppløsningen spesielt i høypolarvinkelområdene. En lignende prosedyre med samme vinkelavstand brukes til å modellere eksperimentelle enheter, basert på de målte vinkelresponskartene I Fig. 3d-g Og Supplerende Fig. 8. Synsfeltet for disse interpolasjonene er redusert til ±65° (begrenset av den maksimale polare vinkelen for toppdeteksjon målt med de nåværende prøvene), spannet med 5280 piksler.Hvit Gaussisk støy legges også til de fangede dataene (vektorene y) for å ta hensyn til realistisk fotodetektorytelse (Se Tilleggsnotat 8). GENERELT er signal-til-støy-forholdet (SNR) til ET CCD/CMOS-kamera begrenset av metningsbelastningen (full brønnkapasitet) til de enkelte pikslene. Videre kan den økes (med en faktor på \(\sqrt N\)) ved å gjennomsnittlig signalene til (N) identiske piksler, på bekostning av en tilsvarende reduksjon i oppløsning og/eller økning i aktivt område. Her bruker vi en baseline single-pixel SNR på 56 dB (dvs. ysignal / ynoise = 631), som rapportert i litteraturen med standard CMOS-teknologi og optimaliserte kretsdesign, selv for en pikselhøyde så liten som ~8 µ31,32. I tillegg utfører vi også simuleringer FOR SNR = 63 og 73 dB, som kan oppnås med større arrays hvor hver metasurface-design påføres henholdsvis N = 5 og 50 piksler, hvis signaler deretter bindes sammen og i gjennomsnitt. 260 000 og 310 000 (for kameraer basert på de målte og simulerte enhetene, henholdsvis ved høyeste SNR på 73 dB), som fortsatt er godt innenfor REKKEVIDDEN av dagens CMOS-teknologi. I forbifarten skal det bemerkes at DE samme SNR-verdiene også kan oppnås med flere andre kombinasjoner av pikselnummer, pikseldimensjoner, full brønnkapasitet Og binstørrelse N. 4. Figur 4c-f inneholder resultater oppnådd for et relativt enkelt objekt (fartsgrensen trafikk tegn På Fig. 4c), avbildet ved baseline SNR på 56 dB. Et mer komplekst objekt (kameramannbildet Av Fig. 4g) er vurdert I Fig. 4g-j, avbildet ved større SNR på 73 dB. Simuleringsresultater for arrays avledet fra begge beregnet (Fig. 4d, h) og målt (Fig. 4e, i) vinkelresponskart presenteres. Høy kvalitet bilde rekonstruksjon oppnås i alle tilfeller, med de viktigste funksjonene i begge objektene trofast gjengitt. Sammenligning mellom resultatene oppnådd med de beregnede versus målte vinkelresponser viser noe tap av oppløsning i sistnevnte tilfelle, forårsaket av lavere vinkelselektivitet og høyere bakgrunnsnivåer av eksperimentelle kart. I alle fall viser disse dataene klart evnen til å rekonstruere godt gjenkjennelige bilder, selv basert på de målte egenskapene til de produserte enhetene. Disse observasjonene bekreftes av omfattende simuleringer utført med flere andre objekter av varierende kompleksitet ved Forskjellige SNRs, som vist I Supplerende Fig. 12.

Til Slutt undersøker Vi hvordan bildefunksjonene til de samme enhetene påvirkes av den optiske båndbredden til hendelseslyset under polykromatisk belysning. Alle vinkelresponskartene som er brukt så langt, er enten beregnet eller målt ved en enkelt bølgelengde – måldesignverdien λ0 = 1550 nm. På samme tid, på grunn av den diffraktive naturen til våre metasurfaces, kan deres overføringsegenskaper forventes å variere med hendelsesbølgelengde. Det er imidlertid viktig at disse variasjonene kan redegjøres for i vår beregningsmessige bildebehandling, slik at godt gjenkjennelige bilder også kan rekonstrueres under rimelig polykromatisk belysning med bare et relativt lite tap i oppløsning. Spesielt, hvis hendelsesspekteret strekker seg over en begrenset båndbredde, er hovedvirkningen på vinkelresponsen til hver enhet en proporsjonal utvidelse av detekteringstoppen. Ved hjelp av diffraksjon tilstand ovenfor, finner vi δθp = δλ/λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, hvor θp er den polare vinkelen til toppen deteksjon på λ0, og SPP effektiv indeks nSPP = λ0/λSPP er ~1.06 i metasurface design av Fig. 2. En slik utvidelse kan inkluderes i bildekonstruksjonssimuleringene gjennom EN 2d-konvolusjon mellom den monokromatiske pikselresponsen og en gaussisk uskarphetskjerne med bredde δθ. Eksempler på bilder oppnådd med denne tilnærmingen anvendt på de simulerte kartene er vist I Fig. 4f, j, inkludert det enkle fartsgrensetegnet avbildet med en båndbredde hryvnias/λ0 av 10% ved 56-db snr (fig. 4f) og det mer komplekse kameramannbildet for δλ/λ0 = 5% og 73-db snr (Fig. 4j). Hovedtrekkene til begge objektene er igjen godt gjengitt i bildene. Ytterligere eksempler kan finnes I Supplerende Fig. 13. Bildesituasjonene som vurderes i disse simuleringene, kan realiseres i praksis ved å dekke hele kameraets array med et båndpassfilter på 155-eller 77 – nm båndbredde. Større operasjon båndbredder med høyere bildekvalitet kan oppnås ved hjelp av mer komplekse gradient metasurfaces, med bestanddeler utformet for å gi samme respons på flere bølgelengder som i nyere arbeid mot bredbånd metalenses33. Samtidig kan det også være mulig å trekke ut litt informasjon om objektets fargedistribusjon ved først å karakterisere spektralresponsene til hver piksel etterfulgt av en flerkanals bildekonstruksjonsprosedyre, som ligner på det siste arbeidet med diffraktiv-optikkbasert fargebilding34.