Plasmonic ommatidia para lensless composto olho de visão
Metasurface design
O princípio de funcionamento do ângulo de dispositivos sensíveis desenvolvido neste trabalho é ilustrado na Fig. 2. O material ativo fotodetetor (um fotocondutor Ge) é revestido com uma metasurface composta por uma película metálica empilhada com um conjunto de nanopartículas metálicas retangulares (NPs). A metasurface compreende três seções diferentes – um acoplador de grelha periódica, um reflector de grelha e um conjunto de fendas através da película metálica subjacente. O ouro é usado como material de escolha para todas as características metálicas, devido às suas propriedades plasmônicas favoráveis nos comprimentos de onda infravermelhos15. Duas camadas dielétricas (SiO2) também são introduzidas imediatamente abaixo e acima do Filme Au, para fornecer isolamento elétrico a partir da camada ativa e para controlar o acoplamento filme-NP, respectivamente. Como a película metálica é opticamente espessa (100 nm), a fotodetecção só pode ser realizada através de um processo indireto, onde o incidente da luz no ângulo desejado é primeiramente difratado pelo NPs (na seção de acopladores periódicos de grade) em plasmonitons de superfície (SPPs)—isto é, ondas eletromagnéticas guiadas propagando-se ao longo da interface Au-air. Um pequeno número de slits subwavelength no filme de metal são então usados para espalhar estes PPPs em radiação propagando-se predominantemente na camada ativa absorvente. Como resultado, um sinal de fotocorrent é produzido entre dois eletrodos tendenciosos localizados ao longo da metasurface.
A, b ilustrações esquemáticas da geometria metasurface e princípio de operação. O incidente da luz no ângulo de detecção desejado +θp (a) é difratado pelo acoplador de grelha em SPPs propagando-se em direção às fendas, onde elas são preferencialmente espalhadas no substrato absorvente. O incidente de luz no ângulo oposto-θp (b) é difratado pela matriz NP em SPPs propagando-se em direção ao refletor de grade, onde eles são difratados de volta para a radiação. Incidente de luz em qualquer outro ângulo é completamente refletido ou difratado longe da superfície. c Coeficiente de transmissão óptica calculado a λ0 = 1550 nm através de seis metasuperfícies diferentes para a luz polarizada P versus ângulo de incidência θ no plano x–Z. O período de acoplador de grelha (número de NPs) varia entre 1465 nm e 745 nm (15 a 29), a fim de aumentar o ângulo de detecção dos picos. As larguras NP variam entre 250 e 570 nm. coeficiente de transmissão d–f de três Meta-ondas de c em função dos ângulos de iluminação polares θ e azimutal ϕ, somados sobre polarizações de xz e yz. Em cada mapa, kx e ky são os componentes no plano do wavevector incidente-luz, e a escala de cores é normalizada para o valor máximo (MAX) de transmissão. Em e, o círculo vermelho sólido de raio kSPP indica os modos SPP disponíveis na superfície superior de metal; a linha curva tracejada destaca as direções incidentes da transmissão de pico; as setas cinzentas horizontais (com comprimento 2π/Λ) ilustram como o incidente de luz ao longo destas direções pode excitar as PPP por difração de primeira ordem negativa; e as setas vermelhas mostram as direções de propagação das PPP excitadas.
o ângulo incidente da detecção de pico é controlado pelo período de engate de grelha Λ. Especificamente, o SPPs propaga-se ao longo da direção ∓x da Fig. 2a, b pode ser animado através de primeira ordem de difração da luz incidente (no plano x–z) na iguais e ângulos opostos ±θp determinado por difração de condição (2πsinθp)/λ0 − 2π/Λ = −2π/λSPP, onde λ0 e λSPP são os comprimentos de onda da luz incidente, e animado SPPs, respectivamente. Incidente de luz em qualquer outro ângulo é completamente refletido ou difratado longe da superfície (em particular, a excitação de PPP por todas as ordens mais altas de difração é evitada mantendo Λ menor que λSPP). A detecção seletiva de apenas uma direção incidente (e.g., + θp) é então obtido rodeando o acoplador de grelha com as fendas de um lado (na direcção −x) e o reflector de grelha do outro lado (na direcção +x). O reflector é outro conjunto de NPs rectangulares concebidos para dispersar as PPP recebidas em luz que irradia para longe da amostra perto da direcção normal da superfície. Com este arranjo, os SPPs excitados pela luz incidente em +θp propagam-se para as fendas, onde eles são preferencialmente espalhados no substrato e produzem uma fotocorrent (Fig. 2a e filme Complementar 1). Os SPPs excitados pela luz incidente at −θp propagam-se em direção ao refletor de grade, onde eles são difratados de volta para o espaço livre (Fig. 2b e filme complementar 2). Como resultado, os fotodetetores revestidos de metasurface são funcionalmente equivalentes à ommatídia do olho composto de aposição, mantendo a geometria planar de Matrizes Padrão de sensores de imagem.
As Meta-ondas descritas dependem de uma série de ideias-chave de plasmonics e nanofotonics, aqui aplicadas a uma nova funcionalidade do dispositivo (filtragem direccional). Em primeiro lugar,a capacidade das fendas subwavelength para eficientemente par SPPs à radiação está bem estabelecida no contexto de extraordinária transmissão óptica 16 e já foi explorada para várias aplicações 17,18, 19. Em detalhe, quando um SPP se propaga sobre a superfície de metal superior atinge os limites da fenda, uma linha de dipolos oscilantes no plano é efetivamente produzida através da fenda, que irá então emitir radiação principalmente propagando-se no substrato de índice mais elevado. O mesmo comportamento no reverso também tem sido empregado para a excitação eficiente de PPPs na superfície superior de um filme de metal perfurado, através da iluminação da parte traseira 20,21,22. Em segundo lugar,o desenho do reflector de grelha é baseado na noção de metasurfaces com um gradiente de fase linear 23, 24, onde as células unitárias assimétricas compostas são utilizadas para suprimir todas as ordens de difração q, excepto q = -1 (Ver nota complementar 2 e figura suplementar). 2). Como resultado, a transmissão de SPP (que é equivalente a difração de ordem zero) é efetivamente proibida neste array NP, de modo que o incidente SPPs do acoplador de grade (como na Fig. 2b) pode ser completamente dispersa em radiação com o menor número possível de períodos. Em um conjunto de fotodetetores, qualquer SPP transmitido através do refletor de um pixel pode ser espalhado e detectado em um pixel vizinho. O uso de um gradiente de fase linear é, portanto, favorável para evitar sinais de fotocorrentes espúrios produzidos por incidente de luz at-θp (ver Figura suplementar). 3). Da mesma forma, se q = +1 ordem foram permitidos, perto de normal a luz incidente pode ser parcialmente difratado pela grade reflector em SPPs também propagando-se diretamente em uma vizinhos do pixel, onde, novamente, eles poderiam produzir um sinal indesejado (em contraste, qualquer SPP animado na grade reflector por q = -1 difração irá propagar-se ao longo das −direção x em toda a NP matriz, onde pode passar perto de completar atenuação por absorção e espalhamento, antes de chegar as fendas do outro lado).
vários dispositivos baseados na geometria descrita, cada um fornecendo fotodetecção de pico em um ângulo diferente θp, foram projetados usando simulações eletromagnéticas de onda completa baseadas no método de diferença finita do domínio do tempo (FDTD). Além da grade acoplador período de Λ, chave de parâmetros de projeto incluem o número de NPs (que pode ser otimizado para o máximo de pico de transmissão) e o NP largura (que deve ser escolhida de modo a maximizar as grades de difração de eficiência, enquanto que, ao mesmo tempo, evitar significativo de acoplamento entre a SPPs e localizadas plasmonic ressonâncias suportados pelo NPs); mais detalhes podem ser encontrados na Nota Complementar 1 e Complementares Fig. 1. A figura 2c mostra o coeficiente de transmissão polarizado de potência calculado para um conjunto de meta-ondas optimizadas a λ0 = 1550 nm, em função do ângulo polar de incidência θ no plano x–z (os parâmetros geométricos relevantes são enumerados na Nota complementar 3 e no quadro suplementar 1). Se as Meta-superfícies forem fabricadas num material activo fotodetector, o sinal detectado é proporcional ao seu coeficiente de transmissão. Os dispositivos da Fig. 2c pode, portanto, fornecer fotodetecção direcional sintonizável, com uma ampla gama de afinação para o ângulo de detecção de pico θp de ±75° e resolução angular estreita, variando de 3° a 14° de largura completa-a meio-máximo (FWHM) como θp é aumentado. O coeficiente de transmissão de pico Tp está na gama de 35-45% para todos os projetos considerados, com uma razão de fundo pico-a-média de cerca de 6. De passagem, deve-se notar que na estrutura com θp = 0°, o acoplador de grelha é cercado por fendas em ambos os lados (uma vez que a resposta angular desejada é simétrica), levando a um valor um pouco maior de Tp. Para a luz polarizada em s, a transmissão através da mesma meta-superfície é isotrópica e significante menor, <0,2% em todos os ângulos (ver Figura suplementar. 4 e discussão abaixo).
os padrões de resposta angular completos dos mesmos dispositivos são mostrados nos mapas de cores da Fig. 2D-f E Figo suplementar. 5, onde os coeficientes de transmissão metasurface (computados com um método baseado na reciprocidade e somados sobre ambas as polarizações) são plotados como uma função de ambos ângulos de iluminação polares θ e azimutal ϕ. Em cada mapa, as direções de alta transmissão formam uma região em forma de C dentro do hemisfério completo, o que é indicativo da difração de primeira ordem da luz incidente em SPPs de diferentes vetores de onda kSPP. Especificamente, a forma C é determinada pela distribuição espaço-recíproco dos modos SPP disponíveis em λ0(círculo vermelho na figura. 2e), traduzido pelo vetor da rede \({\hat {\mathbf{x}}}}\) 2π / Λ do acoplador de grelha (como mostrado pelas setas horizontais na mesma figura). Este comportamento aumenta claramente a gama de direções incidentes detectadas por cada pixel. Importante, no entanto, as técnicas de imagem computacional descritas abaixo permitem reconstruir imagens com maior resolução em comparação com a seletividade angular de um único pixel, se dispositivos com sobreposições apropriadas em suas respostas angulares são combinados.para qualquer direção incidente, a transmissão metasurface para a luz polarizada xz (i.e., com campo elétrico no plano x–z) é Novamente muito maior do que para a luz polarizada yz (Ver nota suplementar 4). Este comportamento se origina das propriedades de polarização de SPPs. Em geral, as PPP possuem um componente de campo elétrico em plano que é paralelo à sua direção de propagação15. Portanto, na geometria em estudo, a luz incidente polarizada xz é mais eficaz em empolgantes SPPs propagando em um pequeno ângulo em relação ao eixo x, e vice-versa. Na mesma geometria, onde as fendas são lineares e orientadas ao longo da direção y, apenas SPPs com um grande x (i.e., perpendicular) componente do campo elétrico pode ser eficientemente acoplado à radiação através da citada excitação de dipolos oscilantes através das fendas 22. Decorre destas considerações que os modos SPP que são mais fortemente dispersos pelas fendas no substrato absorvente também são mais efetivamente excitados pela luz incidente xz-polarizada (em comparação com a luz YZ-polarizada). As mesmas considerações explicam também por que razão a transmissão da metasurface nas regiões da Fig em forma de C. 2D-f diminui com o aumento do ângulo azimutal ϕ da luz incidente: quanto maior O ϕ, menor os componentes x do kSPP do vavevector e campo elétrico dos correspondentes SPPs excitados (veja setas vermelhas na figura). 2e). A dependência intrínseca da polarização dos dispositivos da Fig. 2 limita a sua sensibilidade global para aplicações de imagem típicas envolvendo luz não-descolarizada. Ao mesmo tempo, poderia ser explorado em conjunto com técnicas de imagem computacional para permitir a visão de polarização, que oferece várias características desejáveis, tais como brilho reduzido e contraste melhorado25. Alternativamente, fotodetetores independentes de ângulo de polarização também podem ser projetados com metasurfaces mais complexas, por exemplo, usando matrizes bidimensionais NP que permitem o controle de fase e polarização independente 26,27.
resultados experimentais
as metasurfaces da Fig. 2 pode ser aplicado a qualquer tecnologia fotodetorial planar independentemente de seus princípios de funcionamento. Aqui usamos fotocondutores GE metal-semicondutores-metal (MSM), onde um sinal de fotocorrente é coletado através de dois eletrodos enviesados depositados na superfície superior de um substrato Ge. O metasurface sensível ao ângulo é modelado na região ativa entre os dois contatos de metal. Enquanto os fotodiodos geralmente oferecem maior desempenho, os fotodetetores MSM são particularmente simples de fabricar e, portanto, fornecer uma plataforma conveniente para investigar o desenvolvimento da metasurface. Para simplificar as medições da fotocorrente com resolução angular, também usamos áreas ativas relativamente grandes: em cada dispositivo, a separação entre os dois eletrodos é de D ≈ 300 µm, e a metasurface consiste de algumas repetições idênticas (5-6) de uma mesma estrutura baseada no desenho da Fig. 2a, com o reflector de grelha de uma secção imediatamente adjacente às fendas da secção seguinte. As imagens ópticas e de microscopia electrónica de varrimento (SEM) representativas são apresentadas na Fig. 3, mostrando um dispositivo completo (Fig. 3a), uma secção metasurface (Fig. 3b), e um conjunto de fendas (Fig. 3c).
A–c Optical (a) and SEM (b, c) images of representative experimental samples. A barra de escala é de 100 µm em a, 4 µm em b e 2 µm em C. Em um metasurface inteiro de um dispositivo completo é visto através de uma janela Ti cobrindo toda a amostra, que é introduzida para evitar sinais de fotocorrentes espúrios. A imagem de c foi tirada antes da fabricação do array NP. D-g dependência angular medida da fotocorrente de quatro dispositivos com base nas estruturas da Fig. 2, dando resposta de pico próximo de θp = 0° (d), 12° (e), 28° (f) e 65° (g). Em cada parcela, a fotocorrente é normalizada até ao valor máximo. As imagens SEM revelam alguns desvios nos períodos de array e larguras NP em relação aos seus valores de projeto alvo. Os valores medidos São Λ = 1440, 1180, 1030 e 775 nm e w = 240, 560, 526 e 256 nm para os dispositivos dos painéis d, E, f E g, respectivamente. a linha h–k varre ao longo da direção ϕ = 0° a partir dos mapas de d–g, respectivamente. l p- (i.é., xz-) e s- (i.é., yz-) polarizada receptividade versus ângulo polar de incidência no plano x–z, medidos com três amostras diferentes: um dispositivo de referência, sem qualquer filme metálico e NP matriz, e dois metasurface revestido de dispositivos de fornecimento de detecção de pico em θp = 12° e 65°, respectivamente. Os dados de origem dos painéis d–g são fornecidos como ficheiros de dados de origem.
As medições da fotocorrente com resolução angular com estes dispositivos mostram uma resposta altamente direccional, de acordo com as simulações (Fig. 3d-k e Fig. suplementar. 8). Nestas medições, cada dispositivo é iluminado com luz laser a 1550 nm de comprimento de onda, e os ângulos polares e azimutais de incidência são variados, respectivamente, girando a óptica de focagem sobre a amostra e girando a amostra sobre a sua superfície normal. Dois mapas de resposta angular ortogonalmente polarizados são registrados para cada amostra, e suas somas são plotadas na figura. 3d-G. consistente com a discussão acima, os resultados de medição indicam que o sinal de fotocorrentes mais forte é obtido quando a luz incidente é polarizada xz, enquanto a contribuição YZ-polarizada é essencialmente insignificante (ver Figura suplementar. 7). Cada mapa de Figo. 3 apresenta a região em forma de C esperada de alta responsividade, centrada perto do ângulo polar projetado de transmissão metasurface máxima θp (0, 12, 28, e 65° para os painéis d, E, f, E g, respectivamente). A selectividade do ângulo polar (FWHM) dos mesmos dispositivos, medida a partir do corte horizontal de ϕ = 0° de cada mapa apresentado na figura. 3h-k, está na faixa de 4-21°, por ordem de aumento θp. A razão pico-a-média-fundo é ~3 para todos os dispositivos. Estas características medidas estão razoavelmente próximas dos valores calculados a partir dos resultados da simulação da Fig. 2. As diferenças observadas são devido principalmente à presença de alguns rugosidade superficial nas amostras experimentais (que pode espalhar alguns de luz incidente em SPPs, independentemente de sua direção de propagação), bem como pequenos desvios na matriz períodos e NP larguras (afetando principalmente a θp). Em todo o caso, como descrito abaixo, estes valores experimentais já são totalmente adequados para a reconstrução de imagens de alta qualidade.
para avaliar a transmissão de pico das Meta-superfícies, foram também fabricadas e testadas amostras nuas idênticas, sem qualquer película metálica e matriz NP entre os dois eléctrodos. A figura 3l mostra a resposta polarizada de ângulo polarizado p-E s-de uma dessas amostras, juntamente com os dados medidos com dois dispositivos metasurface. Nos seus ângulos de detecção de pico de 12° e 65°, as responsabilidades polarizadas-p destes últimos dispositivos são reduzidas para ~42% e 36%, respectivamente, do valor correspondente da amostra nua, em excelente acordo com os resultados de simulação da Fig. 2C. infelizmente, uma comparação quantitativa mais extensa entre todos os dispositivos experimentais da Fig. 3 não é possível devido a grandes variações em suas resistências escuras. Tais variações foram observadas mesmo entre diferentes amostras baseadas no mesmo projeto (incluindo diferentes amostras nuas), com a responsividade aumentando consistentemente com a resistência escura, e são possivelmente causadas por defeitos induzidos pelo fabrico que afetam a densidade do transportador ou promovem vazamento de corrente. Como resultado, em Figo. 3l nós só incluímos dados medidos com dispositivos com a mesma resistência escura (~1,5 kΩ). Deve também notar-se que os valores de resposta de pico por tensão aplicada, mostrados na Fig. 3l (~10 mA w−1 V−1) são razoáveis para este tipo de fotodetetores, especialmente devido à sua grande separação inter-eletrodos D ≈ 300 µm, que limita o ganho fotocondutor (proporcional a 1/d2)28.
reconstrução da imagem
em seguida, investigamos as capacidades de imagem dos fotodetectores sensíveis ao ângulo que acabamos de descrever. Nós consideramos uma arquitetura de câmera composto-olho sem lentilhas consistindo de uma matriz planar destes dispositivos, com cada pixel fornecendo fotodetecção direcional atingiu um pico em uma combinação diferente de Ângulos polares e azimutais (θp e ϕp, respectivamente). O valor de θp pode ser controlado através da variação da concepção do engate de grelha, tal como referido acima. Para um projeto fixo, o ϕp pode ser variado simplesmente girando toda a metasurface em torno de sua superfície normal no fotodetector correspondente. Usando este arranjo de pixels, realizamos uma série de simulações numéricas pelo seguinte modelo de formação de imagem. Consideramos os objetos suficientemente distantes do conjunto de pixels para que cada ângulo corresponda exclusivamente a um ponto geográfico diferente no objeto (Fig. 4a). Cada pixel integra a intensidade total detectada de acordo com a sua resposta angular. O processo de formação de imagem pode então ser descrito por uma equação de matriz linear y = Ax, que relaciona a distribuição de intensidade do objeto (x) com os dados capturados (y) por uma matriz sensorial (a) (Fig. 4b). A resposta angular de cada pixel forma um vetor de linha diferente de A, que quantifica as contribuições de intensidade para o sinal de pixel a partir de pontos diferentes no Objeto 29. Para obter a distribuição de intensidade do objeto, realizamos a reconstrução da imagem com base na truncada técnica de decomposição do valor singular (TSVD) 30. O estimado objeto é dado por \({\hat{\mathbf{x}}} = \mathop{\sum}\nolimits_ = l{1}^L {\frac{1}{{\sigma _l}}} ({\mathbf{y}},{\mathbf{r}}_l){\mathbf{v}}_l\), onde ul e vl denotar a esquerda e para a direita singular vetor, respectivamente, e σl é o correspondente valor singular. L é um parâmetro de Regularização que define o número de vetores singulares usados na solução TSVD, que é otimizado por ajuste manual baseado na inspeção visual da imagem reconstruída.
uma ilustração esquemática da geometria da imagem. Cada pixel integra a intensidade de luz incidente de diferentes direções de acordo com a sua resposta angular. Modelo b de formação de imagem. A medição de matriz de pixels é relacionada ao objeto por uma equação linear y = Ax, onde a matriz sensora A contém as respostas angulares de todos os pixels. C-f objeto representativo (c) e correspondente reconstrução de imagem resulta em SNR = 56 dB (d–f). G-j exemplo de um objeto mais complexo (g) e correspondente reconstrução de imagem resulta em SNR = 73 dB (h–j). A imagem original do cameraman (g) é usada com permissão de seu proprietário de direitos autorais (Massachusetts Institute of Technology). As imagens de d, h são baseadas nos padrões de responsividade simulados da Fig. 2 com uma matriz de 6240 pixels a λ0 = 1550 nm. As imagens de e E E i são baseadas nos padrões experimentais de responsividade da Fig. 3 com um array de 5280 pixels a λ0 = 1550 nm. As imagens de f E j são baseadas nos padrões simulados sob iluminação de banda larga com largura de banda δλ / λ0 = 10 % (f) e 5 % (j). O algoritmo de reconstrução de imagens é disponibilizado publicamente .
com esta abordagem, validámos a capacidade das nossas metasurfaces desenhadas e fabricadas para permitir a reconstrução complexa da imagem. Para as estruturas projectadas, a matriz sensora A é construída a partir dos mapas de resposta angular calculados da Fig. 2D-f E Figo suplementar. 5, juntamente com as suas interpolações para metasurfaces adicionais que fornecem a transmissão máxima em diferentes ângulos polares. O método para interpolar as respostas de novos pixels é detalhado na Nota complementar 6, e vários exemplos interpolados são mostrados em figos suplementares. 9 e 10. O número necessário de pixels diferentes é determinado calculando a sobreposição de todas as respostas dos pixels para assegurar uma cobertura uniforme do campo de visão, e através de simulações de imagem adicionais (Ver nota suplementar 7 e Fig. suplementar). 11). Com base nesta análise, selecionamos Δθp = 1.5° e Δϕp = 3° para os espaçamentos angulares entre as direcções de detecção de pico de pixels consecutivos, que proporcionam uma boa qualidade de reconstrução de imagem com um número razoavelmente pequeno de pixels (6240) cobrindo o campo de visão completo ±75° das metasurfaces desenhadas. Com maior espaçamento em θp, os resultados da reconstrução sofrem de artefatos de franja orientados radialmente devido à falta de cobertura nas respostas angulares. Com maior espaçamento em ϕp, a resolução degrada-se especialmente nas regiões de alto ângulo polar. Um procedimento similar com o mesmo espaçamento angular é usado para modelar os dispositivos experimentais, com base nos mapas de resposta angular medidos da Fig. 3d-g e Figo suplementar. 8. O campo de visão para estas interpolações é reduzido para ± 65° (limitado pelo ângulo polar máximo de detecção dos picos medido com as amostras actuais), com uma extensão de 5280 pixels.o ruído gaussiano branco é também adicionado aos dados captados (os vectores y) para ter em conta o desempenho realista dos fotodetectores (Ver nota complementar 8). Em geral, a razão sinal-ruído (SNR) de uma câmera CCD/CMOS é limitada pela carga de saturação (plena capacidade) dos pixels individuais. Além disso, pode ser aumentado (por um factor de \(\sqrt n\)), calculando a média dos sinais de (N) pixels idênticos, à custa de uma diminuição proporcional na resolução e/ou aumento na área activa. Aqui usamos um SNR de um pixel de base de 56 dB (ou seja, ysignal / ynoise = 631), como relatado na literatura com tecnologia CMOS padrão e design de circuitos otimizados,mesmo para uma altura de pixel tão pequena como ~8 µm31, 32. Além disso, também realizamos simulações para SNR = 63 e 73 dB, que podem ser conseguidas com matrizes maiores onde cada projeto de metasurface é aplicado, respectivamente, a N = 5 e 50 pixels, cujos sinais são então ligados e em média. O número total de pixels aumenta de forma correspondente até cerca de 260.000 e 310.000 (para câmeras baseadas nos dispositivos medidos e simulados, respectivamente, no mais alto SNR de 73 dB), que ainda está bem dentro da gama atual da tecnologia CMOS. De passagem, deve-se notar que os mesmos valores SNR também podem ser alcançados com várias outras combinações de número de pixels, dimensões de pixels, capacidade de poço completo, e bin tamanho N.
As capacidades simuladas de imagem dos nossos dispositivos são ilustradas na Fig. 4. A figura 4c-f contém resultados obtidos para um objeto relativamente simples(o sinal de tráfego limite de velocidade da Fig. 4c), com um valor de base SNR de 56 dB. A more complex object (the cameraman picture of Fig. 4g) é considerada na Fig. 4g-j, fotografado com um SNR maior de 73 dB. Resultados de simulação para arrays derivados de ambos calculados (Fig. 4d, h) e medidas (Fig. 4e, i) são apresentados mapas de resposta angular. A reconstrução de imagem de alta qualidade é obtida em todos os casos, com as principais características de ambos os objetos fielmente reproduzidos. A comparação entre os resultados obtidos com as respostas angulares calculadas versus medidas mostra alguma perda de resolução neste último caso, causada pela menor selectividade angular e níveis de fundo mais elevados dos mapas experimentais. Em qualquer caso, estes dados demonstram claramente a capacidade de reconstruir imagens bem reconhecíveis, mesmo com base nas características medidas dos dispositivos fabricados. Estas observações são confirmadas por extensas simulações realizadas com vários outros objetos de complexidade variável em diferentes SNRs, como mostrado na figura complementar. 12.finalmente, investigamos como as capacidades de imagem dos mesmos dispositivos são afetadas pela largura de banda óptica δλ da luz incidente sob iluminação policromática. Todos os mapas de resposta angular utilizados até à data são calculados ou medidos com um único comprimento de onda – valor de projecto λ0 = 1550 nm. Ao mesmo tempo, devido à natureza difrativa das nossas Meta-ondas, as suas propriedades de transmissão podem variar com o comprimento de onda do incidente. Importante, no entanto, essas variações podem ser contabilizadas em nossa abordagem de imagem computacional, de modo que imagens bem reconhecíveis também podem ser reconstruídas sob iluminação policromática razoável com apenas uma perda relativamente pequena na resolução. Em particular, se o espectro incidente se estende sobre uma largura de banda finita δλ, O principal efeito sobre a resposta angular de cada dispositivo é um alargamento proporcional δθp do Pico de detecção. Usando a difração de condição acima, encontramos δθp = δλ/λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, onde θp é o ângulo polar de detecção de pico em λ0, e o SPP eficaz índice nSPP = λ0/λSPP é ~1.06 no metasurface desenhos da Fig. 2. Tal ampliação pode ser incluída nas simulações de reconstrução de imagens através de uma convolução 2D entre a resposta de pixels monocromáticos e um núcleo borrado Gaussiano de largura δθp. Exemplos de imagens obtidas com esta abordagem aplicada aos mapas simulados são mostrados na Fig. 4f, j, incluindo o sinal simples de limite de velocidade, com uma largura de banda δλ / λ0 de 10% a 56 dB SNR (Fig. 4f) e a imagem mais complexa do operador de câmara para δλ / λ0 = 5% e 73-dB SNR (Fig. 4j). As principais características de ambos os objetos são mais uma vez bem reproduzidas nas imagens. Outros exemplos podem ser encontrados na figura suplementar. 13. As situações de imagem consideradas nessas simulações podem ser realizadas na prática, cobrindo toda a matriz da câmera com um filtro de passagem de banda de 155 ou 77 nm de largura de banda. Maiores larguras de banda de operação com maior qualidade de imagem poderiam ser alcançadas usando metasurfaces gradientes mais complexos, com elementos constituintes projetados para fornecer a mesma resposta em comprimentos de onda múltiplos como no trabalho recente para banda larga metales33. Ao mesmo tempo, também pode ser possível extrair algumas informações sobre a distribuição de cores do objeto, caracterizando primeiramente as respostas espectrais de cada pixel seguido por um procedimento de reconstrução de imagem multi-canal, semelhante ao trabalho recente em imagens de cores baseadas em difractive-óptica34.