proiectarea Metasuprafeței

principiul de funcționare a dispozitivelor sensibile la unghi dezvoltate în această lucrare este ilustrat în Fig. 2. Materialul activ fotodetector (un fotoconductor Ge) este acoperit cu o metasuprafață compozită constând dintr-o peliculă metalică stivuită cu o serie de nanoparticule metalice dreptunghiulare (NPs). Metasuprafața cuprinde trei secțiuni diferite-un cuplaj periodic de grătare, un reflector de grătare și un set de fante prin filmul metalic subiacent. Aurul este folosit ca material de alegere pentru toate caracteristicile metalice, datorită proprietăților sale plasmonice favorabile la lungimi de undă infraroșii15. Două straturi dielectrice (SiO2) sunt, de asemenea, introduse imediat sub și deasupra filmului Au, pentru a asigura izolarea electrică din stratul activ și pentru a controla cuplajul film-NP, respectiv. Deoarece filmul metalic este optic gros (100 nm), fotodetecția poate avea loc numai printr—un proces indirect în care incidentul de lumină la unghiul dorit este mai întâi difractat de NPs (în secțiunea cuplajului periodic de grătare) în polaritoni Plasmon de suprafață (SPPs)-adică undele electromagnetice ghidate care se propagă de-a lungul interfeței Au-air. Un număr mic de fante subwavelength din filmul metalic sunt apoi utilizate pentru a împrăștia aceste spp-uri în radiații care se propagă predominant în stratul activ absorbant. Ca rezultat, se produce un semnal de fotocurent între doi electrozi părtinitori situați pe metasuprafață.

A, B ilustrații schematice ale geometriei metasurface și principiul de funcționare. Incidentul de lumină la unghiul de detecție dorit + hectp (a) este difractat de cuplajul de grătare în spp-uri care se propagă spre fante, unde acestea sunt împrăștiate preferențial în substratul absorbant. Incident de lumină la unghiul opus-XVP (B) este difractat de matricea NP în spp-uri care se propagă spre reflectorul de grătar, unde sunt difractate înapoi în radiație. Incidentul de lumină la orice alt unghi este în schimb complet reflectat sau difractat departe de suprafață. c Coeficient de transmisie optică calculat la 0xtx = 1550 nm prin șase metasuprafețe diferite pentru p lumină polarizată față de unghiul de incidență X-Z pe planul X-Z. Perioada de cuplare a grătarului (numărul de NPs) variază de la 1465 la 745 nm (15 la 29) în ordinea creșterii unghiului de detectare a vârfului. Lățimile NP variază între 250 și 570 nm. coeficientul de transmisie d-f a trei metasuprafețe de la c în funcție atât de unghiurile de iluminare polare de la azimutal, cât și de la unghiurile de iluminare de la azimutal de la XZ, însumate peste polarizările de la xz și yz. În fiecare hartă, kx și ky sunt componentele în plan ale vectorului de undă incident-lumină, iar scala de culori este normalizată la valoarea maximă (MAX) a transmisiei. În e, cercul roșu solid al razei kspp indică modurile SPP disponibile pe suprafața metalică superioară; linia curbată punctată evidențiază direcțiile incidente ale transmisiei de vârf; săgețile gri orizontale (având lungimea de 2 sec/sec) ilustrează modul în care lumina incidentă de-a lungul acestor direcții poate excita spp-urile prin difracție negativă de ordinul întâi; iar săgețile roșii arată direcțiile de propagare a spp-urilor excitate.

unghiul de incidență al detectării vârfului este controlat de perioada de cuplare a grilajului pentru zăbrele. În mod specific, spp-urile se propagă de-a lungul direcției x x din Fig. 2a, b poate fi excitat prin primul ordin de difracție a luminii incidente (x–z avion) la egală și opusă unghiuri ±θp determinată prin difracție de stare (2πsinθp)/λ0 − 2π/Λ = −2π/λSPP, unde λ0 și λSPP sunt lungimi de undă a luminii incidente și entuziasmat SPPs, respectiv. Incidentul de lumină la orice alt unghi este în schimb complet reflectat sau difractat departe de suprafață (în special, excitarea spp-urilor de către toate ordinele superioare de difracție este evitată prin menținerea lui Centimetric mai mic decât centimetric). Detectarea selectivă a unei singure direcții incidente (de ex., + olfactp) se obține apoi prin înconjurarea cuplajului de grătare cu fantele de pe o parte (în direcția −x) și reflectorul de grătare de pe cealaltă parte (în direcția +x). Reflectorul este o altă serie de NP-uri dreptunghiulare concepute pentru a împrăștia spp-urile primite în lumină care radiază departe de eșantion în apropierea direcției normale a suprafeței. Cu această dispunere, spp-urile excitate de lumina incidentă la +XVP se propagă spre fante, unde sunt împrăștiate preferențial în substrat și produc un fotocurent (Fig. 2a și film suplimentar 1). Spp −urile excitate de lumina incidentă de la-XVP se propagă spre reflectorul grătarului, unde sunt difractate înapoi în spațiul liber (Fig. 2b și filmul suplimentar 2). Ca rezultat, fotodetectoarele acoperite cu metasuprafață sunt echivalente din punct de vedere funcțional cu ommatidia ochiului compus de apoziție, menținând în același timp geometria plană a matricelor standard de senzori de imagine.

metasurfaces tocmai descrise se bazează pe o serie de idei cheie de la plasmonics și nanofotonics, aici aplicate la o funcționalitate dispozitiv nou (filtrare direcțională). În primul rând,capacitatea fantelor subwavelength de a cupla eficient spp-urile la radiații este bine stabilită în contextul transmisiei optice extraordinare16 și a fost deja exploatată pentru diverse aplicații17,18, 19. În detaliu, atunci când un SPP care se propagă pe suprafața metalică superioară atinge limitele fantei, o linie de dipoli oscilanți în plan este produsă efectiv peste fantă, care va emite apoi radiații care se propagă în cea mai mare parte în substratul cu indice superior. Același comportament invers a fost folosit și pentru excitarea eficientă a spp-urilor pe suprafața superioară a unui film metalic perforat, prin iluminarea din partea din spate20,21,22. În al doilea rând,proiectarea reflectorului de grătare se bazează pe noțiunea de metasuprafețe cu un gradient de fază liniară23, 24, unde celulele unitare asimetrice compozite sunt utilizate pentru a suprima toate ordinele de difracție q, cu excepția q = -1 (a se vedea nota suplimentară 2 și Fig suplimentar. 2). Ca urmare, transmisia SPP (care este echivalentă cu difracția de ordinul zero) este efectiv interzisă în această matrice NP, astfel încât spp-urile incidente de la cuplajul de grătare (ca în Fig. 2b) pot fi complet împrăștiate în radiații cu cel mai mic număr posibil de perioade. Într-o matrice fotodetector, orice SPP transmis peste reflectorul unui pixel poate fi împrăștiat și detectat într-un pixel vecin. Utilizarea unui gradient de fază liniară este, prin urmare, favorabilă pentru a evita semnalele de fotocurent false produse de incidentul luminos la −XVP (a se vedea Fig suplimentar. 3). În mod similar, dacă ordinul q = +1 ar fi permis, lumina incidentă aproape normală ar putea fi parțial difractată de reflectorul de rețea în spp-uri care se propagă direct într −un pixel vecin, unde din nou ar putea produce un semnal nedorit (în contrast, orice SPP excitat în reflectorul de rețea prin difracție q = -1 se va propaga de-a lungul direcției-x pe întreaga matrice NP, unde poate experimenta aproape atenuarea completă prin absorbție și împrăștiere înainte de a ajunge la fantele de pe cealaltă parte).

Mai multe dispozitive bazate pe geometria descrisă mai sus, fiecare oferind fotodetecție de vârf la un unghi diferit, au fost proiectate folosind simulări electromagnetice cu undă completă bazate pe metoda domeniului de timp cu diferență finită (FDTD). În plus față de perioada de cuplare a grilajului, parametrii cheie de proiectare includ numărul de NPs (care poate fi optimizat pentru transmisia maximă de vârf) și lățimea NP (care ar trebui selectată pentru a maximiza eficiența difracției grilajului, evitând în același timp orice cuplare semnificativă între spp-uri și rezonanțele plasmonice localizate susținute de NPs); mai multe detalii pot fi găsite în nota suplimentară 1 și în Fig. 1. Figura 2c prezintă coeficientul de transmisie a puterii polarizate în p calculat pentru un set de metasuprafețe optimizate la 0XT = 1550 nm, în funcție de unghiul polar de incidență al X–z (parametrii geometrici relevanți sunt enumerați în nota suplimentară 3 și tabelul suplimentar 1). Dacă metasuprafețele sunt fabricate pe un material activ fotodetector, semnalul detectat este proporțional cu coeficientul lor de transmisie. Dispozitivele din Fig. 2c, prin urmare, poate oferi acordabile direcționale photodetection, cu o gamă largă de acordaj pentru unghiul de detectare vârf θp de ±75° și înguste rezoluție unghiulară, variind de la 3° la 14° full-lățime-la-jumatate-maxim (FWHM) ca θp este crescut. Coeficientul de transmisie de vârf Tp este în intervalul de 35-45% pentru toate proiectele luate în considerare, cu un raport vârf-mediu-fundal de aproximativ 6. În treacăt, trebuie remarcat faptul că în structura cu zăbrele = 0 zăbrele de cuplare sunt înconjurate de fante pe ambele părți (deoarece răspunsul unghiular dorit este simetric), ceea ce duce la o valoare ceva mai mare a Tp. Pentru lumina polarizată s, transmisia prin aceleași metasuprafețe este izotropă și semnificativ mai mică, <0,2% la toate unghiurile (vezi Fig suplimentar. 4 și discuția de mai jos).

modelele complete de răspuns unghiular ale acelorași dispozitive sunt prezentate în hărțile color din Fig. 2D-f și suplimentar Fig. 5, unde coeficienții de transmisie a metasuprafeței (calculați cu o metodă bazată pe reciprocitate și însumați pe ambele polarizări) sunt reprezentați în funcție atât de unghiurile de iluminare polare de la Ecuador, cât și de la azimutal de la Ecuador. În fiecare hartă, direcțiile de transmisie înaltă formează o regiune în formă de C în emisfera completă, ceea ce indică difracția de ordinul întâi a luminii incidente în spp-uri ale diferiților vectori de undă kSPP. În mod specific, forma C este determinată de distribuția reciprocă-spațiu a modurilor SPP disponibile la xcc0 (cerc roșu în Fig. 2e), tradus prin vectorul zăbrele \({\hat{\mathbf{x}}}\) 2 XT/XT al cuplajului grilaj (așa cum se arată prin săgețile orizontale din aceeași figură). Acest comportament crește în mod clar gama de direcții incidente detectate de fiecare pixel. Important, totuși, tehnicile de imagistică computațională descrise mai jos permit reconstruirea imaginilor cu rezoluție mai mare în comparație cu selectivitatea unghiulară cu un singur pixel, dacă dispozitivele cu suprapuneri adecvate în răspunsurile lor unghiulare sunt combinate.

pentru orice direcție de incident, transmisia metasuprafață pentru lumina polarizată xz (adică., cu câmp electric pe planul x-z) este din nou mult mai mare decât pentru lumina polarizată yz (Vezi nota suplimentară 4). Acest comportament provine din proprietățile de polarizare ale spp-urilor. În general, spp-urile posedă o componentă de câmp electric în plan care este paralelă cu direcția lor de propagare15. Prin urmare, în geometria studiată, lumina incidentă polarizată xz este cea mai eficientă la spp-urile interesante care se propagă la un unghi mic în raport cu axa x și invers. În aceeași geometrie, unde fantele sunt liniare și orientate de-a lungul direcției y, numai spp-urile cu un X mare (adică., perpendicular) componenta câmpului electric poate fi cuplată eficient în radiație prin excitația menționată mai sus a dipolilor oscilanți de-a lungul fantelor22. Din aceste considerente rezultă că modurile SPP care sunt mai puternic împrăștiate de fante în substratul absorbant sunt, de asemenea, mai eficient excitate de lumina incidentă polarizată xz (în comparație cu polarizată yz). Aceleași considerații explică, de asemenea, de ce transmisia metasuprafață în regiunile în formă de C din Fig. 2D-f scade odată cu creșterea unghiului azimutal al luminii incidente: cu cât este mai mare, cu atât sunt mai mici componentele x ale vectorului de undă kSPP și câmpul electric al spp-urilor excitate corespunzător (vezi săgețile roșii din Fig. 2e). Dependența intrinsecă de polarizare a dispozitivelor din Fig. 2 limitează sensibilitatea lor generală pentru aplicațiile tipice de imagistică care implică lumină nepolarizată. În același timp, ar putea fi exploatat împreună cu tehnici de imagistică computațională pentru a permite viziunea de polarizare, care oferă mai multe caracteristici dorite, cum ar fi strălucirea redusă și contrastul îmbunătățit25. Alternativ, fotodetectoarele independente de polarizare sensibile la unghi ar putea fi, de asemenea, proiectate cu metasuprafețe mai complexe,de exemplu, folosind matrice NP bidimensionale care permit controlul independent al fazei și polarizării26, 27.

rezultate experimentale

metasuprafețele din Fig. 2 poate fi aplicat la orice tehnologie fotodetector plan, indiferent de principiile sale de funcționare. Aici folosim fotoconductori metal-semiconductori-metal (MSM) GE, unde un semnal de fotocurent este colectat pe doi electrozi părtinitori depuși pe suprafața superioară a unui substrat Ge. Metasuprafața sensibilă la unghi este modelată pe regiunea activă dintre cele două contacte metalice. În timp ce fotodiodele oferă, în general, performanțe mai mari, fotodetectoarele MSM sunt deosebit de simple de fabricat și, prin urmare, oferă o platformă convenabilă pentru a investiga dezvoltarea metasurface. Pentru a simplifica măsurătorile fotocurentului cu rezoluție unghiulară, folosim și zone active relativ mari: în fiecare dispozitiv, separarea dintre cei doi electrozi este de D 300 mm, iar metasuprafața constă în câteva (5-6) repetări identice ale aceleiași structuri bazate pe designul din Fig. 2a, cu reflectorul de grătare al unei secțiuni imediat adiacente fantelor secțiunii următoare. Imaginile reprezentative de microscopie electronică optică și de scanare (SEM) sunt prezentate în Fig. 3, arătând un dispozitiv complet (Fig. 3a), o secțiune metasuprafață (Fig. 3b) și un set de fante (Fig. 3c).

imagini a–C optice (a) și sem (b, c) ale probelor experimentale reprezentative. Bara de scară este de 100 de metri cubi în a, 4 metri cubi în b și 2 metri cubi în c. Într-o întreaga metasuprafață a unui dispozitiv complet este văzută printr-o fereastră Ti care acoperă întregul eșantion, care este introdusă pentru a evita semnalele fotocurente false. Imaginea lui c a fost făcută înainte de fabricarea matricei NP. D-G A măsurat dependența unghiulară a fotocurentului a patru dispozitive bazate pe structurile din Fig. 2, oferind un răspuns de vârf în apropiere de XCF = 0 xcf (d), 12 xcf (e), 28 xcf (f) și 65 xcf (g). În fiecare complot, fotocurentul este normalizat la valoarea maximă. Imaginile SEM dezvăluie unele abateri în perioadele de matrice și lățimile NP de la valorile lor de proiectare țintă. Valorile măsurate sunt de 1440, 1180, 1030 și 775 nm și w = 240, 560, 526 și 256 nm pentru dispozitivele panourilor d, E, f și, respectiv, G. linia h–k scanează de–a lungul direcției 0-0-x-x de pe hărțile d-g, respectiv. L P – (adică, xz -) și s – (adică, yz–) polarizat responsivitate față de unghiul polar de incidență pe planul x-z, măsurată cu trei probe diferite: un dispozitiv de referință fără film metalic și matrice NP și două dispozitive acoperite cu metasuprafață care asigură detectarea vârfului la 7CT = 12, respectiv 65. Datele sursă pentru panourile d-g sunt furnizate ca fișiere de date sursă.

măsurătorile Fotocurentului rezolvate în unghi cu aceste dispozitive arată un răspuns foarte direcțional în acord cu simulările (Fig. 3d-k și suplimentar Fig. 8). În aceste măsurători, fiecare dispozitiv este iluminat cu lumină laser la lungimea de undă de 1550 nm, iar unghiurile de incidență polare și azimutale sunt variate, respectiv, prin rotirea opticii de focalizare în jurul eșantionului și prin rotirea eșantionului în jurul suprafeței sale normal. Două hărți de răspuns unghiular polarizate ortogonal sunt înregistrate pentru fiecare eșantion, iar sumele lor sunt reprezentate în Fig. 3d-g. în concordanță cu discuția de mai sus, rezultatele măsurătorilor indică faptul că cel mai puternic semnal de fotocurent este obținut atunci când lumina incidentă este polarizată xz, în timp ce contribuția polarizată yz este în esență neglijabilă (vezi Fig suplimentar. 7). Fiecare hartă din Fig. 3 prezintă regiunea așteptată în formă de C, cu o sensibilitate ridicată, centrată în apropierea unghiului polar proiectat al transmisiei maxime de metasuprafață (0, 12, 28 și 65 pentru panourile D, E, f și, respectiv, g). Selectivitatea unghiului polar (FWHM) a acelorași dispozitive, măsurată de la tăietura orizontală a liniei orizontale 0 = 0 pentru fiecare hartă prezentată în Fig. 3h-k, se situeaza in intervalul 4-21 in ordinea cresterii in ordinea cresterii in clasa a VIII-a. Raportul vârf-mediu-fundal este ~3 pentru toate dispozitivele. Aceste caracteristici măsurate sunt în mod rezonabil apropiate de valorile calculate din rezultatele simulării din Fig. 2. Diferențele observate se datorează în mare parte prezenței unor rugozități de suprafață în probele experimentale (care pot împrăștia o parte din lumina incidentă în spp-uri indiferent de direcția de propagare a acesteia), precum și mici deviații în perioadele de matrice și lățimile NP (afectând în cea mai mare parte XVP). În orice caz, așa cum este descris mai jos, aceste valori experimentale sunt deja pe deplin adecvate pentru reconstrucția imaginii de înaltă calitate.

pentru a evalua transmisia de vârf a metasuprafețelor, au fost fabricate și testate probe goale identice, fără film metalic și matrice NP între cei doi electrozi. Figura 3l prezintă răspunsul polar-unghi-rezolvat P-și s-polarizat al unui astfel de eșantion, împreună cu datele măsurate cu două dispozitive metasurface. La unghiurile lor de detecție de vârf de 12 și 65 de centimetrii, responsivitățile polarizate p ale acestor din urmă dispozitive sunt reduse la ~42% și, respectiv, 36% din valoarea corespunzătoare din proba goală, în acord excelent cu rezultatele simulării din Fig. 2c. din păcate, o comparație cantitativă mai extinsă între toate dispozitivele experimentale din Fig. 3 nu este posibil din cauza variațiilor mari ale rezistențelor lor întunecate. Astfel de variații au fost observate chiar și în rândul diferitelor probe bazate pe același design (inclusiv diferite probe goale), cu responsivitatea crescând în mod constant odată cu rezistența la întuneric și sunt posibil cauzate de defecte induse de fabricație care afectează densitatea purtătorului sau promovează scurgerea curentului. Ca rezultat, în Fig. 3l includem numai datele măsurate cu dispozitive care prezintă aceeași rezistență la întuneric (~1,5 K inkt). De asemenea, trebuie remarcat faptul că valorile responsivității maxime pe tensiunea aplicată prezentate în Fig. 3L (~10 mA W−1 V−1) sunt rezonabile pentru acest tip de fotodetectoare, în special având în vedere separarea lor mare între electrozi D la 300 la 300, ceea ce limitează câștigul fotoconductiv (proporțional cu 1/d2)28.

reconstrucția imaginii

în continuare investigăm capacitățile imagistice ale fotodetectoarelor sensibile la unghi descrise. Considerăm o arhitectură a camerei compuse-ochi fără lentile constând dintr-o gamă plană a acestor dispozitive, fiecare pixel oferind fotodetecție direcțională maximă la o combinație diferită de unghiuri polare și azimutale (respectiv, respectiv). Valoarea lui centcp poate fi controlată prin variația designului cuplajului de grătare, așa cum s-a discutat mai sus. Pentru un design fix, modelul poate fi variat prin simpla rotire a întregii metasuprafețe în jurul suprafeței sale normale pe fotodetectorul corespunzător. Folosind acest aranjament de pixeli, am efectuat o serie de simulări numerice după următorul model de formare a imaginii. Considerăm obiectele suficient de îndepărtate de matricea pixelilor, astfel încât fiecare unghi să corespundă în mod unic unui punct spațial diferit al obiectului (Fig. 4a). Fiecare pixel integrează intensitatea totală detectată în funcție de răspunsul său unghiular. Procesul de formare a imaginii poate fi apoi descris printr-o ecuație liniară a matricei y = Ax, care leagă distribuția intensității obiectului (x) de datele capturate (y) de o matrice de detectare (a) (Fig. 4b). Răspunsul unghiular al fiecărui pixel formează un vector de rând diferit al lui A, care cuantifică contribuțiile de intensitate la semnalul pixelilor din diferite puncte ale obiectului29. Pentru a obține distribuția intensității obiectului, realizăm reconstrucția imaginii pe baza tehnicii trunchiate de descompunere a valorii singulare (TSVD) 30. Obiectul estimat este dat de \({\hat {\mathbf{x}}} = \ mathop {\sum} \ nolimits_{l = 1}^l {\frac{1}{{\sigma _l}}} ({\mathbf{y}},{\mathbf{u}}_l){\mathbf{v}}_l\), unde ul și vl denotă vectorul singular stânga și dreapta LTH, respectiv, iar Olt este valoarea singulară corespunzătoare. L este un parametru de regularizare care definește numărul de vectori singulari utilizați în soluția TSVD, care este optimizat prin reglarea manuală pe baza inspecției vizuale a imaginii reconstruite.

o ilustrare schematică a geometriei imaginii. Fiecare pixel integrează intensitatea luminii incidente din direcții diferite în funcție de răspunsul său unghiular. B imagine-model de formare. Măsurarea matrice de pixeli este legată de obiect printr-o ecuație liniară y = Ax, unde matricea de detectare a conține răspunsurile unghiulare ale tuturor pixelilor. obiectul reprezentativ c-f (c) și rezultatele corespunzătoare ale reconstrucției imaginii la SNR = 56 dB (d–f). G-J exemplu de obiect mai complex (g) și rezultate corespunzătoare de reconstrucție a imaginii la SNR = 73 dB (h–j). Imaginea originală a cameramanului (g) este utilizată cu permisiunea proprietarului drepturilor de autor (Massachusetts Institute of Technology). Imaginile lui d, h se bazează pe modelele de receptivitate simulate din Fig. 2 cu o matrice de 6240 de pixeli la hectar0 = 1550 nm. Imaginile e și i se bazează pe modelele experimentale de responsivitate din Fig. 3 cu o matrice de 5280 de pixeli la hectar0 = 1550 nm. Imaginile de f și j sunt bazate pe modele simulate în bandă largă de iluminare cu lățime de bandă δλ/λ0 = 10 % (f) și 5 % (j). Algoritmul de reconstrucție a imaginii este pus la dispoziția publicului .

cu această abordare, am validat capacitatea atât a metasuprafețelor noastre proiectate, cât și a celor fabricate, de a permite reconstrucția complexă a imaginii. Pentru structurile proiectate, matricea de detectare A este construită din hărțile de răspuns unghiular calculate din Fig. 2D-f și suplimentar Fig. 5, împreună cu interpolările lor pentru metasuprafețe suplimentare care asigură o transmisie maximă la unghiuri polare diferite. Metoda de interpolare a răspunsurilor noi la pixeli este detaliată în nota suplimentară 6 și mai multe exemple interpolate sunt prezentate în figurile suplimentare. 9 și 10. Numărul necesar de pixeli diferiți este determinat prin calcularea suprapunerii tuturor răspunsurilor pixelilor pentru a asigura o acoperire uniformă a câmpului vizual și prin simulări imagistice suplimentare (a se vedea nota suplimentară 7 și Fig. 11). Pe baza acestei analize, selectăm Xqup = 1.5 și 3 pentru distanțele unghiulare dintre direcțiile de detecție a vârfului pixelilor consecutivi, care asigură o bună calitate a reconstrucției imaginii cu un număr rezonabil de pixeli (6240) care acoperă întregul câmp de vedere al metasuprafețelor proiectate, de la 75 la 7. Cu o spațiere mai mare în XVP, rezultatele reconstrucției suferă de artefacte marginale orientate radial din cauza lipsei de acoperire în răspunsurile unghiulare. Cu o spațiere mai mare în XVP, rezoluția se degradează în special în regiunile cu unghi polar ridicat. O procedură similară cu aceleași distanțe unghiulare este utilizată pentru a modela dispozitivele experimentale, pe baza hărților de răspuns unghiular măsurate din Fig. 3D-g și suplimentar Fig. 8. Câmpul vizual pentru aceste interpolări este redus la 65 de pixeli (limitat de unghiul polar maxim de detecție a vârfului măsurat cu eșantioanele actuale), cuprins de 5280 de pixeli.

zgomotul Gaussian alb este, de asemenea, adăugat la datele capturate (vectorii y) pentru a ține cont de performanța fotodetectorului realist (a se vedea nota suplimentară 8). În general, raportul semnal-zgomot (SNR) al unei camere CCD/CMOS este limitat de încărcarea de saturație (capacitatea completă a puțului) a pixelilor individuali. Mai mult, poate fi crescut (cu un factor de \(\sqrt N\)) prin medierea semnalelor de (N) pixeli identici, în detrimentul unei scăderi proporționale a rezoluției și/sau a creșterii zonei active. Aici folosim un SNR de bază cu un singur pixel de 56 dB (adică ysignal/ynoise = 631), așa cum este raportat în literatura de specialitate cu tehnologie CMOS standard și modele de circuite optimizate, chiar și pentru un pas de pixeli la fel de mic ca ~8 unktimm31, 32. În plus, efectuăm și simulări pentru SNR = 63 și 73 dB, care pot fi realizate cu matrice mai mari în care fiecare design metasurface este aplicat, respectiv, la N = 5 și 50 pixeli, ale căror semnale sunt apoi binned împreună și mediate. Numărul total de pixeli crește în mod corespunzător până la aproximativ 260.000 și 310.000 (pentru camerele bazate pe dispozitivele măsurate și simulate, respectiv, la cel mai înalt SNR de 73 dB), care este încă în limitele tehnologiei CMOS actuale. În trecere, trebuie remarcat faptul că aceleași valori SNR ar putea fi obținute și cu alte câteva combinații de număr de pixeli, Dimensiuni de pixeli, capacitate completă a puțului și dimensiune bin N.

capacitățile imagistice simulate ale dispozitivelor noastre sunt ilustrate în Fig. 4. Figura 4c-f conține rezultatele obținute pentru un obiect relativ simplu (semnul de trafic limită de viteză din Fig. 4c), imaginată la SNR de bază de 56 dB. Un obiect mai complex (imaginea cameramanului din Fig. 4g) este considerat în Fig. 4g-j, imaginat la SNR mai mare de 73 dB. Rezultatele simulării pentru matrice derivate din ambele calculate (Fig. 4d, h) și măsurat (Fig. 4E, i) sunt prezentate hărți de răspuns unghiular. Reconstrucția imaginii de înaltă calitate este obținută în toate cazurile, cu caracteristicile cheie ale ambelor obiecte reproduse fidel. Comparația dintre rezultatele obținute cu răspunsurile unghiulare calculate versus cele măsurate arată o oarecare pierdere a rezoluției în ultimul caz, cauzată de selectivitatea unghiulară inferioară și nivelurile de fundal mai ridicate ale hărților experimentale. În orice caz, aceste date demonstrează în mod clar capacitatea de a reconstrui imagini bine recunoscute chiar și pe baza caracteristicilor măsurate ale dispozitivelor fabricate. Aceste observații sunt confirmate de simulări ample efectuate cu mai multe alte obiecte de complexitate variabilă la diferite SNR-uri, așa cum se arată în Fig suplimentar. 12.

în cele din urmă, investigăm modul în care capacitățile imagistice ale acelorași dispozitive sunt afectate de lățimea de bandă optică a luminii incidente sub iluminare policromatică. Toate hărțile de răspuns unghiular utilizate până în prezent sunt fie calculate, fie măsurate la o singură lungime de undă – valoarea de proiectare a țintei inqux0 = 1550 nm. În același timp, datorită naturii difractive a metasuprafețelor noastre, se poate aștepta ca proprietățile lor de transmisie să varieze în funcție de lungimea de undă incidentă. Important, totuși, aceste variații pot fi luate în considerare în abordarea noastră imagistică computațională, astfel încât imaginile bine recunoscute pot fi, de asemenea, reconstruite sub iluminare policromatică rezonabilă, cu doar o pierdere relativ mică de rezoluție. În special, în cazul în care spectrul incidentului se extinde pe o lățime de bandă finită, efectul principal asupra răspunsului unghiular al fiecărui dispozitiv este o lărgire proporțională a vârfului de detecție. Folosind difracția condiția de mai sus, vom găsi δθp = δλ/λ0(nSPP + sinθp)/cosθp, unde θp este polar unghi de detectare vârf în λ0, iar SPP eficient indicele nSPP = λ0/λSPP este ~1.06 în metasurface modele de Fig. 2. O astfel de lărgire poate fi inclusă în simulările de reconstrucție a imaginii printr-o convoluție 2D între răspunsul monocromatic al pixelilor și un kernel de estompare Gaussian al lățimii XVP. Exemple de imagini obținute cu această abordare aplicată hărților simulate sunt prezentate în Fig. 4F, j, inclusiv semnul limită de viteză simplu imaginat cu o lățime de bandă de 10% la 56 dB SNR (fig. 4f) și cea mai complexă imagine a cameramanului pentru un număr de 73-dB (fig. 4j). Caracteristicile cheie ale ambelor obiecte sunt din nou bine reproduse în imagini. Exemple suplimentare pot fi găsite în Fig. 13. Situațiile imagistice luate în considerare în aceste simulări pot fi realizate în practică prin acoperirea întregii matrice de camere cu un filtru band-pass de lățime de bandă de 155 sau 77 nm. Lățimi de bandă de funcționare mai mari, cu o calitate mai ridicată a imaginii, ar putea fi obținute utilizând metasurfețe de gradient mai complexe, cu elemente constitutive concepute pentru a oferi același răspuns la mai multe lungimi de undă ca în lucrările recente privind metalensele în bandă largă33. În același timp, poate fi posibilă și extragerea unor informații despre distribuția culorilor obiectului, caracterizând mai întâi răspunsurile spectrale ale fiecărui pixel, urmate de o procedură de reconstrucție a imaginii pe mai multe canale, similară lucrărilor recente privind imaginea color bazată pe optică difractivă34.