超透鏡消色差方法理解與總結

個人針對目前的理解水平進行總結

Metalens achromatic:

1、隸屬領域:衍射元件消色差,通過相位調控

2、衍射元件色散原因:焦距與入射波長成反比,導致各波長對應的焦距不等;對應菲涅爾透鏡相位理解來說,即對於同一個結構,不同波長的相位差無法保持2*pi,這也是衍射元件雜光出現的主要問題。

3、衍射元件消色差難點:以菲涅爾透鏡爲例,焦距、波長與環帶之間存在關係,即環帶固定時,不同波長對應的焦距不同;若想獲得相同焦距,那麼不同波長需要對應不同的環帶,這在一個元件中是難以實現的。

4、衍射元件消色差方法:進行妥協與平衡,法1、通過調控相位使得一個環帶(甚至一個點)滿足多個波長的相位,也就是說,該環帶不對應任何一個波長;法2、將元件分區,使得多個子波段均可以正常成像,共同構成寬波段。(以上兩種方法後面會分析優缺點)

5、超透鏡消色差方法(典型):其根本屬於衍射元件消色差,多數仍屬於菲涅爾環帶形式,只是採用不同結構替代。

文獻:Sajan Shrestha, Adam Overvig, and Nanfang Yu. Broadband Achromatic Metasurface Lenses....

該文章指出,一個消色差的Metalens,需使透鏡上的每個點都實現相位相應,即:每個點都需要唯一的色散關係。

其設計公式爲:,從式中可知,在元件中心處,相位調控量較小,而在元件邊緣處(x,y增大),相位調控量增大(該理解需要再確定)。結合下圖可知,當在元件中心處,各波長可以實現相位調控,但當處於結構向外延展時,相位調控點匹配各波長的結構輪廓難以實現。該理解可以從另一方面解釋,菲涅爾元件的中心環帶較寬,多波長匹配難度尚可,而隨着環帶向外延展,環帶寬度逐步變窄,也使得相位變換速度加快,最終導致難以在多波長匹配。這也是Metalens消色差元件大多隻有幾百微米的原因,該文獻口徑100μm;其他文獻,如:SWang S , Wu P C , Su V C , et al. A broadband achromatic metalens in the visible[J]. Nature Nanotechnology, 2018. 其口徑也很小,有:焦距 f = 235 μ m ,NA = 0.106.

6、分區消色差:既然Metalens消色差難以實現大口徑元件,另一種方法可以避免該問題。

如下圖所示,分區方法可以獲得寬波段成像,實現了一種色差的校正或色彩保真。但該方法仍是一種妥協與平衡,其犧牲了能量,導致圖像出現霧狀問題。因此,就出現結合計算成像的消色差衍射元件,利用圖像處理或深度學習方法去解決光學方面低能量或雜光導致的不清晰等問題。

7、對比Metalens與分區兩種消色差方法:

Metalens難以實現大口徑,加工大多采用電子束直寫;分區可實現大口徑,加工可基於傳統的二元光刻工藝;

二者均有自身的問題,希望未來可以解決,去打開衍射元件消色差的廣闊天地。

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