Advanced Materials:极广角硅红外光学-具有178°视场和衍射极限像质的平面单片式超构镜头

作为信息感知的基础技术,红外成像技术已在夜视、救援、安防、医学检测等方面发挥着不可或缺的作用。例如,红外热成像仪广泛应用于公共场合的快速体温检测,在新冠防疫中发挥重要作用。然而,传统红外光学系统存在体积重量大、视场较小、热敏感性强、加工成本高、可选材料较少等瓶颈难题。例如,硅作为微电子技术的基础材料,其在长波红外(8-14μm)具有较高的吸收系数,因此不适用于制造该波段的高效率光学器件。

近年来,平面光学尤其是亚波长超构表面的发展为解决上述问题提供了契机。超构表面的结构层厚度一般小于波长,因此可极大改善吸收损耗问题,使得高性能硅制红外光学器件成为可能,为硅基光电系统一体化提供了机会。然而,由于电磁耦合和波前采样率之间的相互矛盾问题,离散型超构表面难以同时兼顾能量效率、光谱带宽和角度带宽等关键性能指标。

近期,中国科学院光电技术研究所的研究人员报道了一种基于悬链线光学概念的等相位流线优化方法,通过对硅制连续型结构中传输相位和几何相位的协同优化,在8-14μm波段实现了近完美的超广角连续波前调控,平均衍射效率高于90%。此外,结合该团队提出的物像空间对称转换的大视场成像原理,在近红外和长波红外波段分别设计了平面单片式超构镜头(图1),其衍射极限成像视场达到178°×178°,可直接用于日间被动成像和夜间主动成像(图2)。相比于传统大视场成像镜头,平面单片式设计可大幅降低系统体积重量和复杂性。

此项研究为平面光学提供了新的亚波长结构形式和设计方法,在高分辨成像、激光扫描、目标监测与跟踪等领域具有应用前景。相关成果发表在Advanced Materials上。

图1 传统大视场镜头(左)和大视场超构镜头(右)对比

图2 近红外单片式广角超构镜头室内成像结果

论文信息:

Extreme-Angle Silicon Infrared Optics Enabled by Streamlined Surfaces

Fei Zhang,Mingbo Pu,Xiong Li,Xiaoliang Ma,Yinghui Guo,Ping Gao,Honglin Yu,Min Gu,  Xiangang Luo

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008157