[发明专利]用于全色成像的超颖表面和系统以及成像的方法

说明书

描述了超颖表面、包括用于成像的超颖表面的系统以及成像方法。这样的超颖表面可以由多个柱形成在衬底上。超颖表面配置成在波长范围内是光学活性的，并且在某些实施方式中配置成形成透镜。特别地，本文描述的超颖表面可以配置成使穿过超颖表面的光聚焦在扩展的焦深中。因此，例如结合计算重建，所公开的超颖表面通常适合于生成不具有或具有最小色像差的颜色。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月29日提交的申请号为62/623,170的美国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

现代相机包括级联式且笨重的玻璃光学器件的系统，用于以最小的像差成像。虽然这些系统提供了高质量的图像，但改进的功能是以增加尺寸和重量为代价的，从而限制了它们在可更需要紧凑型图像传感器的各种应用中的使用。降低系统复杂性的一种途径是计算成像，其中光学硬件的许多像差校正和功能已转移到软件领域中的后处理，从而能够以显著简化的光学器件获得高质量的图像。替代地，设计人员可以通过用衍射光学元件(DOE)代替它们来使光学器件最小化，衍射光学元件(DOE)以更紧凑的形状因数仿真折射系统的功能。超颖表面(Metasurfaces)是此类DOE的一个极端示例，其中谐振亚波长光学天线的准周期阵列在波前赋予空间变化的改变。这些元件具有波长级的厚度，可实现高度紧凑的系统，同时设计亚波长谐振器中的大量自由度已实现前所未有的功能，以及透镜、全息干版、闪耀光栅和偏振光学器件的平坦实施。

设计用于在宽带照明下成像的消色差超颖表面透镜在超颖表面领域中仍然是一个突出的问题。超颖表面中的强色像差既源自亚波长光学散射体的局部共振行为，又源自散射体空间布置引起的相位包装缠绕不连续。对于透镜，这种色度表现为图像中与波长有关的模糊，这将基于超颖表面的成像限制为窄带操作。试图解决该问题存在很大的工作量；然而，到目前为止，所提出的解决方案要么适用于离散波长，要么适用于窄带宽。

发明内容

为此，本公开提供超颖表面、包括超颖表面的系统以及使用超颖表面生成图像的方法，以实现全色成像并在例如跨越整个可见范围的宽带白光照明下生成高质量图像。

因此，在一方面，本公开提供了在波长范围内具有光学活性的超颖表面，包括：多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于第一折射率的第二折射率的间隙物质；其中多个柱中的柱的直径围绕超颖表面的光轴旋转不对称地变化。

尽管计算成像和超颖表面这两者单独都是简化光学系统的有前景的途径，但是这些领域的协同组合可以进一步增强系统性能并促进先进的功能，例如，用于采用超颖表面的全可见光谱成像。因此，在另一方面，本公开提供了一种成像系统，该成像系统包括：在波长范围内具有光学活性的超颖表面，该超颖表面包括：多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于第一折射率的第二折射率的间隙物质，其中多个柱中的柱的直径围绕超颖表面的光轴旋转不对称地变化；光电探测器，其定位成吸收已经穿过所述超颖表面的光，并配置成基于吸收的光而生成信号；可操作地耦合到光电探测器的控制器，控制器包括逻辑，当逻辑由控制器执行时，逻辑使器件执行包括以下的操作：基于穿过所述超颖表面的在波长范围内的光，利用所述光电探测器生成多个信号；以及计算重建多个信号以提供多个计算重建的信号；并利用多个计算重建的信号，基于光电探测器吸收的光而生成图像。

在又一方面，本公开提供了一种生成图像的方法，该方法包括：基于穿过超颖表面的光，用光电探测器生成多个信号，其中，超颖表面包括：多个柱，其包括具有第一折射率并且以正方形图案布置在衬底上的第一材料；和多个柱中的各个柱之间的间隙，其包括具有小于第一折射率的第二折射率的间隙物质，其中多个柱中的柱的直径围绕超颖表面的光轴旋转不对称地变化；计算重建多个信号以提供多个计算重建的信号；并利用多个计算重建的信号基于由光电探测器吸收的光而生成图像。