一种用于大视场成像和偏振光谱探测的微型可重构超构光学系统

工程（英文） ›› 2024, Vol. 35 ›› Issue (4) : 69 -75. DOI: 10.1016/j.eng.2023.07.008

研究论文

张飞 ^a^,^b^,^d ,
廖明浩 ^a^,^b^,^c ,
蒲明博 ^a^,^b^,^c^,^d ,
郭迎辉 ^a^,^b^,^c^,^d ,
陈潋微 ^a^,^b^,^c ,
李雄 ^a^,^b^,^c ,
何琼 ^a^,^b ,
康同同 ^a^,^b^,^d ,
马晓亮 ^a^,^b^,^c ,
柯源 ^e ,
罗先刚 ^a^,^b^,^c^,^d

作者信息 +

A Miniature Meta-Optical System for Reconfigurable Wide-Angle Imaging and Polarization-Spectral Detection

Fei Zhang ^a^,^b^,^d^,^# ,
Minghao Liao ^a^,^b^,^c^,^# ,
Mingbo Pu ^a^,^b^,^c^,^d^,^* ,
Yinghui Guo ^a^,^b^,^c^,^d ,
Lianwei Chen ^a^,^b^,^c ,
Xiong Li ^a^,^b^,^c ,
Qiong He ^a^,^b ,
Tongtong Kang ^a^,^b^,^d ,
Xiaoliang Ma ^a^,^b^,^c ,
Yuan Ke ^e ,
Xiangang Luo ^a^,^b^,^c^,^d^,^* ,

Author information +

文章历史 +

Received	Accepted	Published
2022-12-20	2023-07-17
Issue Date
2024-06-12

PDF (3027K)

摘要

大视场成像和光谱探测在目标追踪、物质鉴别、反伪装探测等场景中扮演着至关重要的作用。由于两种功能对色散调控的需求不同，使得它们的内在架构完全不同，以至于难以在一个共口径系统中同时实现这两种功能。本文提出基于可调超构表面实现可重构双模式探测：通过电控的级联类悬链线超构表面，使得一个微型共口径超光学系统能够兼容大视场成像和偏振光谱探测两种功能，并在两种功能下皆可进行多目标探测与识别。在8~14 μm范围内，系统成像视场约为70°，成像分辨率约为27.8 lp⋅mm^-1，光谱分辨率约为80 nm。本研究有望促进光谱仪、偏振成像仪等多功能光学系统的微型化进程，同时充分展示了超光学在生物医学、目标探测等领域的潜在应用价值。

Abstract

Wide-angle imaging and spectral detection play vital roles in tasks such as target tracking, object classification, and anti-camouflage. However, limited by their intrinsically different architectures, as determined by frequency dispersion requirements, their simultaneous implementation in a shared-aperture system is difficult. Here, we propose a novel concept to realize reconfigurable dual-mode detection based on electrical-control tunable metasurfaces. As a proof-of-concept demonstration, the simultaneous implementation of wide-angle imaging and polarization-spectral detection in a miniature shared-aperture meta-optical system is realized for the first time via the electrical control of cascaded catenary-like metasurfaces. The proposed system supports the imaging (spectral) resolution of approximately 27.8 line-pairs per millimeter (lp·mm⁻¹; ∼80 nm) for an imaging (spectral) mode from 8 to 14 μm. This system also bears a large field of view of about 70°, enabling multi-target recognition in both modes. This work may promote the miniaturization of multifunctional optical systems, including spectrometers and polarization imagers, and illustrates the potential industrial applications of meta-optics in biomedicine, security, space exploration, and more.

关键词

超构表面 / 可重构 / 成像 / 光谱

Key words

Metasurfaces / Reconfigurable / Imaging / Spectral

引用本文

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张飞,廖明浩,蒲明博,郭迎辉,陈潋微,李雄,何琼,康同同,马晓亮,柯源,罗先刚. 一种用于大视场成像和偏振光谱探测的微型可重构超构光学系统[J]. 工程（英文）, 2024, 35(4): 69-75 DOI:10.1016/j.eng.2023.07.008

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1 引言

大视场成像和光谱特征探测是光学探测的重要组成部分，在目标追踪、目标识别、物质鉴别等关键应用中有着重要的作用[1‒2]。然而，光学系统受人工伪装、激光干扰和恶劣天气等多种因素的影响，其探测性能可能下降，所以通常单一的探测方法难以实现精确的目标识别，因此，需要一种多功能的共口径光学系统[3]。而为了在较宽的光谱范围内实现较高的成像与光谱分辨率，需要基于折射、衍射和色散等基本光学原理，分别抑制和增强成像仪和光谱仪的频率色散[4]。然而，由于材料的色散特性通常取决于其固有的分子或原子结构，传统光学材料中的色散特性很难调节[5]。这也导致宽带大视场成像和光谱探测通常需要依赖两套具有不同表面曲率和材料的独立系统来实现[6]，从而不可避免地增加系统的整体尺寸和重量。

近年来，由人工设计的亚波长结构所组成的超构表面已被证明具有许多传统光学系统无法实现的独特性能和应用，包括多维矢量光场操控[7‒11]、单片大视场成像[12‒14]、可调控多功能器件[15‒19]、全息信息安全[20‒21]、集成量子光学[22‒24]和非对称光子自旋轨道相互作用[25‒27]。根据广义折反射定律，超构表面能在超薄平面上灵活地调控局部相位、振幅和偏振等特性[28‒31]。与玻璃和晶体等传统光学材料相比，超构表面的色散可以通过亚波长结构的几何形状进行灵活设计，从而应用于小型化的大视场成像[32‒37]或光谱探测[38‒42]系统中。然而，成像模式和光谱探测模式需要完全不同的色散特性，而超构表面的色散特性在制造完成后是不可更改的[4]，因此，在共口径系统中将这两种模式结合起来仍是一个挑战。

在本文工作中，提出了基于电控可调超构表面的可重构双模探测的概念，开发了一种兼容宽带大视场成像和偏振光谱探测的共口径超构光学系统。基于电控的级联类悬链线状超构表面的色散可调特性，该微型超构光学系统能够实现在大视场成像和基于旋度（圆偏振）的光谱探测模式之间的快速切换，并且也可以同时探测位于大视场中的多个物体的辐射光谱。该系统可以实现以上两种模式功能的共存，故理论上该方法可以减少约50%的体积。这项工作旨在为多功能光学系统提供一种新的设计范式，并推动电控可调超构表面的实际应用。

2 方法

2.1 可重构双模探测概念

图1是所提出的电控可调超构表面的可重构双模探测的概念示意图。如图1（a）所示，共口径超构光学系统由用于模式切换的可重构元件，用于大视场、宽带和衍射极限聚焦的广角透镜或超透镜，以及用于探测的传感器组成。通过可重构元件，系统可以在成像模式和光谱模式之间，也即透射光在非衍射传输（直接透射）和产生频率自旋相关的衍射两种模式之间切换。这两种模式分别对应可重构元件的零频率色散和负频率色散。

本文提出的可重构双模探测方法为远距离和大视场范围内移动目标的快速准确识别提供了新的途径。当多个物体靠近时，通过成像模式获取它们的轮廓是识别干扰物中目标最简单、最直接的方式，而这种情况通常需要一个较大的视场，因此角分辨率受限。如图1（b）所示，当物体距离较远时，它们在成像屏幕上的图像会变得小且相似（系统的角分辨率不足以确定这些物体的轮廓），此时成像模式无效。然而，如图1（c）所示，通过光谱模式获得的圆偏振辐射光谱仍然可以将目标与红外诱饵等干扰物区分开来。此外，虽然干扰物的外观和总辐射强度可以轻易伪造成与目标一致，但干扰物的辐射光谱特征是难以伪装的。而且，光谱模式同样具有较大的视场，因此能够同时获得多个物体的空间方位角和偏振光谱，利于监测和跟踪。需要说明的是，在本文中，“偏振光谱探测”指的是分别探测左旋和右旋圆偏振分量的光谱信息。

2.2 可重构性原理

本文所提出的可重构元件可以使用活性液晶、相变材料、级联超构表面等材料来实现，其关键之处在于能够在非衍射传输和频率自旋相关衍射之间进行转换。近期研究表明，扭曲双层超构表面为该多功能设备的实现提供了新的可能性[43‒46]。受悬链线光学[14,47]的启发，本文采用了如图2（a）和（b）所示的两个级联的悬链线超构表面来验证双模式探测的概念。将两个具有相同光栅周期p，但与x方向的夹角分别为

θ

₁和

θ

₂的悬链线超构表面（M1和M2）依次放置。当左旋圆偏振光或右旋圆偏振光通过可重构元件时，透射的波矢量 K _out可以表示如下（详见附录A中第S1节的推导）：

K o u t = K i n + G 1 + G 2 = (k 0 s i n ξ c o s φ ± k 0 λ p (c o s θ 1 - c o s θ 2), k 0 s i n ξ s i n φ ± k 0 λ p (s i n θ 1 - s i n θ 2))

(1)

式中， K _out和 K _in分别为透射光和入射光的横波矢量； G ₁和 G ₂为两个悬链线超构表面的横波矢量；k ₀ = 2π/λ表示入射光的波向量；λ为波长；

ξ

为z方向入射的半视场角；φ为其在xy平面上投影的方位角；符号+/‒取决于圆偏振光的自旋状态。由于色散与自旋和偏振状态相关，在光谱探测的同时可以探测到偏振特性，有助于目标识别。

为了充分收集通过可重构元件的透射光，这里采用由折射傅里叶透镜和具有负色散的超构表面相位校正器件组成的宽带消色差傅里叶透镜组，借鉴风景镜头的设计特点，将可重构元件放置在镜头组孔径光阑的前端，并确保镜头有效视场大于成像模式和光谱模式的最大衍射角。其中，具有负色散的超构表面相位校正器件能够矫正具有正色散的折射傅里叶透镜的色差。假设这样的消色差傅里叶透镜组有一个理想的焦点移动，则有：

s x, s y = f × K o u t / k 0 = (f s i n ξ c o s φ ± f λ p (c o s θ 1 - c o s θ 2), f s i n ξ s i n φ ± f λ p (s i n θ 1 - s i n θ 2))

(2)

式中，s_x 和s_y 分别为焦点沿x和y方向的位移；f是消色差傅里叶透镜组的焦距。

通过控制θ ₁和θ ₂的旋转角度，可重构元件可以提供零频率（对应成像模式）和负频率（对应光谱模式）色散。当θ ₁ = θ ₂时，像面上的焦点位移（s_x 和s_y ）与波长无关，只取决于半视场角

ξ

和方位角

φ

，如图2中的（c）所示，此时θ ₁= θ ₂= 0，

φ

= 0，该超构光学系统表现为一个宽带大视场成像仪。如果旋转M1或M2使得θ ₁≠ θ ₂，则来自同一方向的入射光线将在像平面上产生一个与波长和自旋相关的焦点移动，从而将该系统从成像模式切换到光谱模式，如图2中的（d）所示，此时θ ₁= 180°，θ ₂= 0，

φ

= 0，

ξ

= 0。

由式（2）可知，通过调整θ ₁和θ ₂的旋转角度，可以独立控制光谱分裂方向β [如图1（c）顶部所示]和光谱分辨率Δλ，这有助于避免多个目标之间的光谱相互干扰。沿x方向的光谱分裂方向β由下式确定：

β = a r c t a n d s y d s x = θ 1 + θ 2 2 - π 2

(3)

根据瑞利判据，光谱分辨率如下所示：

Δ λ = d λ d s R A i r y = 0.61 λ p D s i n θ 1 - θ 2 2

(4)

式中，R _Airy为艾里斑半径；D为该超构光学系统的有效孔径（详见第S1节）。

3 结果和讨论

在本文中，所提出的概念是通用的，可以应用于各种光谱波段，例如，用于光学监测的可见光波段、用于防火和有害气体探测的近红外波段，或用于全天候探测和反伪装的中红外或远红外波段。在这里，本文仅展示一个工作波长范围在8~14 μm之间的电控可重构超构光学系统作为示范（系统参数和性能详见附录A中的第S2节）。图3（a）即超构光学系统的实物照片。在这项工作中，我们使用电控机械旋转的方法进行系统切换，成像模式与最高分辨率的光谱模式之间的切换时间约为1 s。当可重构元件——目前为两个级联的悬链线超构表面的组合——被活性液晶、相变材料等替代时，切换时间可以减少到毫秒甚至纳秒级。该超构光学系统的焦距为11.5 mm，有效直径为5 mm，接近衍射极限的视场角为60°×60°。传感器具有1024像素×1280像素，像元尺寸为12 μm。两个悬链线超构表面的周期为每毫米17线对（lp·mm^-1）[有关超构表面设计的详细信息见附录A中的第S3节；扫描电子显微镜图像见图2（b）]。在8~14 μm范围内，模拟的平均衍射效率约为93%，而由于存在制造误差，在10.6 μm处测量的衍射效率约为85%。衍射效率定义为衍射级次功率与总透射功率的比值。样品制造和实验设置的详细信息见附录A中的第S4节。

为了测试成像模式的性能，对超构光学系统的成像分辨率和视场进行了表征。这里使用了1951年美国空军分辨率靶来表征成像分辨率。图3（b）为物距约为150 mm时拍摄的分辨率靶的图像。超构光学系统的调制传递函数曲线如图3（c）所示，其中显示了衍射极限曲线、光线追迹法模拟的调制传递函数曲线以及实验结果的图像，对比了从12.8 lp⋅mm^－1到27.8 lp⋅mm^－1之间8个点的实验值与理论预测值。此外，系统的聚焦基本都接近衍射极限，这可以从不同波长下模拟的点列图中所有光线都在其相应的艾里斑内看出（见第S2节）。超构光学系统在水平和垂直方向上分别有大约76°和61°的视场（见附录A的S5部分）。图3（d）为超构光学系统拍摄的室外环境图像，该图像可以证明该系统拥有良好的成像性能和大的成像视场。

随后，通过几个红外滤光片和一个硅片的透射光谱，表征自旋依赖的光谱探测功能。在本节后续描述中，默认光谱分辨率均已经调到了最高（即|θ ₁－θ ₂|=180°）。如图4（a）所示，系统在8~14 μm范围内具有约60~100 nm的光谱分辨率（光谱分辨率的可调性详见附录A的第S6节）。为了使光谱探测更加准确，使用了一个可调二氧化碳激光器对光谱模式进行校准，校准结果如图4（b）所示，校准中零级焦点对应原点位置。对不同波长光的投影位置进行测试，经线性拟合得到λ = ±2.401L×10^-3+4.296×10^-7，其中±分别对应右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，L是光谱图案与零级焦点之间的距离。

图4（c）为一系列红外滤光片的归一化光谱测试结果。其中，红色、橙色、紫色和绿色曲线分别对应的中心波长为7.85 μm、8.33 μm、8.85 μm和10.6 μm。本次测试的光源是非偏振光源，故光谱曲线呈现出较好的镜像对称性（有关偏振光谱探测的信息，详见附录A的第S7节）。由于量化误差的存在（探测器12 μm的像元大小对应约30.7 nm的光谱宽度），测得的实际中心波长与红外滤光片的标称中心波长（虚线）相比有至多0.3%的微小误差。图4（d）为厚度约为1.5 mm的双面抛光硅片的实测透射光谱。红色和蓝色曲线分别是商业傅里叶光谱仪（Bruker VERTEX 80v, Bruker, Germany）和本文超构光学系统的测量结果，两者显示出较好的一致性。主要误差在于波长约9.1 μm处的波谷拓宽，其主要原因为热源的尺寸较大导致的吸收峰拓宽。其他误差主要来自红外探测器没有制冷所导致的热噪声和非线性响应。

最后，通过一排陶瓷灯演示了多目标热辐射光谱探测，如图5（a）所示。实验中将其中一盏灯用碳板覆盖（以红色方框标记），以模拟真实目标产生的不同于其他虚假目标的热辐射光谱。图5（b）显示了在成像模式下陶瓷灯所成的像和对应的强度分布曲线。这些陶瓷灯的像在轮廓、大小和强度上都非常相似，从该图无法区分被碳板覆盖的陶瓷灯与裸露的陶瓷灯。图5（c）则显示了这些陶瓷灯的光谱信息。系统的大视场使得来自不同光源的光线可以完全分离且相互独立，故可以实现所有陶瓷灯的同时探测。图中白色虚线标注了8 μm和14 μm的截止波长位置。由于陶瓷灯的排布没有严格平行于超构光学系统的水平方向，白色虚线并不与图像的边缘平行，而是近似平行于两个悬链线超构表面的中央零级。同时，由于制造误差引起的零级衍射的存在，两个悬链线超构表面分别产生的一级和零级衍射的叠加会导致中央零级和主要光谱图案的8 μm边界中间产生额外的光谱图案。在图5（d）中，用蓝色的一系列曲线表示了裸露的陶瓷灯的光谱，而被碳板覆盖的陶瓷灯的光谱则用红色曲线表示，在灰色阴影区域可以看出明显的差异。这一特性可以识别在成像模式下无法区分的目标，对于增强目标跟踪和识别具有重要意义。

4 结论

本文提出了基于电控可调超构表面的可重构双模探测的概念，并首次利用共口径超构光学系统同时实现了宽带大视场成像和偏振光谱探测功能的共存。通过电控的级联类悬链线超构表面，本文实验验证了一个具有近衍射极限成像、光谱探测和多目标识别能力的红外微型电控超构光学系统。这一概念还可以扩展到可见光、近红外、中红外等其他波段，以得到更广泛的应用。

本工作为在单一微型共口径系统中集成多种功能提供了一种新方法，并为快速准确地识别大范围内移动的目标等相关应用开辟了新途径，在目标分类和反伪装领域具有重要意义。此外，未来可以直接使用活性液晶或相变材料来构建具有高转换速度和无机械运动的可重构系统。也可通过增加透镜的数量来增加有效直径，以提高成像和光谱分辨率，同时还可以增大视场。此外，平移两个级联类悬链线超构表面可以改变相应的输出偏振态，在后端放置偏振片，可以实现偏振成像。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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