傳統(tǒng)的折射光學元件通常體積龐大且笨重杖小，而對于從消費電子產(chǎn)品到基于無人機或衛(wèi)星的遙感的各種應用肆汹，緊湊愚墓、輕便的光學元件是其所渴求的。近年來昂勉，超表面已成為波前控制的新平臺浪册。超表面(metasurface)由厚度小于或接近光波長的岗照、亞波長間隔的電介質或金屬天線陣列組成村象，它可以準確地調制光的相位、振幅和偏振攒至，且外形緊湊煞肾、具有通用成像能力。目前嗓袱，廣泛應用超透鏡(metalens)技術的主要障礙之一是其孔徑尺寸。增加透鏡孔徑的尺寸可以產(chǎn)生更高的成像分辨率渠抹，這對于顯微鏡和長距離成像應用來說都是至關重要的。具有納米級非周期性特征的光學超透鏡通常通過諸如電子束光刻(electron-beam lithography, EBL)之類的工藝制造梧却，這些工藝既昂貴又耗時奇颠。盡管最近在超透鏡制造中采用例如納米壓印(nanoimprinting)和紫外線步進光刻(ultraviolet stepper lithography)的技術，但仍然無法避免光刻掩姆藕剑或壓印模具的制備烈拒。迄今為止，最大的光學超透鏡可以具有幾厘米數(shù)量級的孔徑广鳍。如太空望遠鏡這樣的應用荆几，需要米量級的透鏡孔徑尺寸，受當前半導體制造基礎設施的限制赊时，制造這種規(guī)模的單個超透鏡可能極具挑戰(zhàn)性(如果可以制造)吨铸。
合成孔徑超透鏡
技術背景：
傳統(tǒng)的折射光學元件通常體積龐大且笨重祖秒，而對于從消費電子產(chǎn)品到基于無人機或衛(wèi)星的遙感的各種應用诞吱，緊湊房维、輕便的光學元件是其所渴求的。近年來抬纸，超表面已成為波前控制的新平臺咙俩。超表面(metasurface)由厚度小于或接近光波長的、亞波長間隔的電介質或金屬天線陣列組成松却，它可以準確地調制光的相位暴浦、振幅和偏振溅话，且外形緊湊晓锻、具有通用成像能力歌焦。目前砚哆，廣泛應用超透鏡(metalens)技術的主要障礙之一是其孔徑尺寸独撇。增加透鏡孔徑的尺寸可以產(chǎn)生更高的成像分辨率，這對于顯微鏡和長距離成像應用來說都是至關重要的躁锁。具有納米級非周期性特征的光學超透鏡通常通過諸如電子束光刻(electron-beam lithography, EBL)之類的工藝制造，這些工藝既昂貴又耗時战转。盡管最近在超透鏡制造中采用例如納米壓印(nanoimprinting)和紫外線步進光刻(ultraviolet stepper lithography)的技術搜立，但仍然無法避免光刻掩模或壓印模具的制備槐秧。迄今為止啄踊，最大的光學超透鏡可以具有幾厘米數(shù)量級的孔徑刁标。如太空望遠鏡這樣的應用颠通，需要米量級的透鏡孔徑尺寸，受當前半導體制造基礎設施的限制膀懈，制造這種規(guī)模的單個超透鏡可能極具挑戰(zhàn)性(如果可以制造)顿锰。
解決透鏡(或鏡頭)孔徑受限問題的一種方法是多個孔徑合成。合成孔徑可以混合來自子孔徑集合的信號启搂，呈現(xiàn)分辨率與所有子孔徑的外接圓大小的孔徑相當?shù)膱D像硼控。它是一種已廣泛應用于射頻領域的技術胳赌。作為一個具有里程碑意義的例子，Event Horizon telescope項目通過全球射電望遠鏡網(wǎng)絡的孔徑合成捕獲并恢復了黑洞M87的第一張圖像匈织。在過去的幾十年里浪默，合成孔徑方法也被用于從遙感到顯微鏡的光學領域。
當前不足：
受限于當前的半導體工藝缀匕，超透鏡的孔徑尺寸受限纳决，從而限制了其成像分辨率乡小。
文章創(chuàng)新點：
基于此阔加，清華大學的Feng Zhao(一作)和Yuanmu Yang(通訊)等人提出一種結合計算重建的合成孔徑超透鏡技術。這種技術使用多個相對小孔徑的超透鏡可以獲得能媲美等效大孔徑傳統(tǒng)透鏡的分辨能力满钟。
原理解析：
(3)合成超透鏡制造糕篇。首先通過等離子體增強化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)將一層600nm厚的a-Si膜沉積到熔融石英襯底上啄育。隨后拌消，使用EBL將超表面圖案定義到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA）光刻膠里。在接下來的步驟中墩崩，圖案首先通過剝離轉移到鉻(Cr)硬掩模氓英，然后通過電感耦合等離子體反應離子蝕刻(ICP-RIE)進一步轉移到Si層。然后可以通過濕蝕刻劑去除Cr掩模鹦筹。光刻膠旋涂在樣品上铝阐。在第二部分中铐拐，通過光刻徘键、電子束蒸發(fā)和剝離的一系列過程，鋁掩模使用對準標記在超透鏡孔徑外部精確地形成遍蟋。
實驗結果：
(1)a到c為傳統(tǒng)的焦距為30mm的平凸透鏡成像吹害，孔徑半徑分別限制在1、2.38虚青、2.7mm。d到i為合成孔徑超透鏡成像及圖像重建。
(2)800nm近紅外拍攝纵穿。b下隧、c分別為孔徑半徑為1mm和2.38mm的傳統(tǒng)透鏡成像。d,e是由三個子孔徑組成的合成孔徑超透鏡成像谓媒。
附錄：
(1)合成孔徑透鏡工作原理淆院。
對于傳統(tǒng)的具有圓形孔徑的單孔徑透鏡(或鏡頭)迫筑，pupil function為
D是pupil直徑宪赶。透鏡的PSF為
非相干成像系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)OTF(在頻域描述系統(tǒng)的成像性能)為
MTF為OTF的模宗弯。
合成孔徑的透鏡的pupil function為
其PSF，OTF搂妻，MTF的計算與單透鏡相同
(2)圖像重建蒙保。
Richardson-Lucy解卷積的目標是最大化p(f|g)邓厕，而p(g)和p(f)可以看作為常量，問題轉化為最大化p(g|f)扁瓢，這是PSF的的概率 详恼。基于圖像噪聲為泊松分布假設引几，p(g|f)表示為
求解p(g|f)的最大值昧互，等效于求解一個迭代方程
參考文獻：Feng Zhao, Zicheng Shen, Decheng Wang, Bijie Xu, Xiangning Chen, and Yuanmu Yang, "Synthetic aperture metalens," Photon. Res. 9, 2388-2397 (2021)
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