[发明专利]基于三维工程材料的彩色多光谱图像传感器

说明书

构建和使用多功能散射结构的方法和设备。所公开的方法和设备考虑了多个目标函数，并且可以使用基于双光子聚合或多层光刻的制造方法来实现。还描述了用作波分离器的示例性设备。还描述了证实所公开教导的性能和益处的结果。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月22日提交的题为“Color and Multi-Spectral ImageSensor Based On 3D Engineered Materials”的美国专利申请62/748,677的权益，以及于2018年12月7日提交的题为“Color and Multi-Spectral Image Sensor Based On 3DEngineered Materials”的美国专利申请62/776,685的权益，在此通过引用将其合并在本申请中作为参考。

政府拨款声明

本发明是在美国国防部高级研究计划局(DARPA)授予的编号为HR0011-17-2-0035的政府资助下完成的。政府对这项发明有一定的权利。

技术领域

本公开涉及多功能光学元件，更具体地说，涉及通过在单块材料中构造折射率而形成的多功能超材料设备，例如三维(3D)散射结构，用于产生这种结构的方法，以及用于将电磁波分成多个电磁波的方法。

背景技术

光学系统通常通过多个元件的模块化组合来设计，以实现复杂的功能。例如，透镜和衍射光学器件可以组合起来进行高光谱成像。这种方法既直观又灵活，提供了从有限的一组元件中访问广泛功能的途径。然而，光学系统的总体尺寸和重量可能会限制其应用范围。纳米制造的最新进展可以通过用子波长厚度的谐振纳米结构的亚表面平面阵列代替大体积元件来缓解这种限制。通过对阵列中单个元件的散射进行工程设计，这些设备可以在单个元件中再现复杂光学系统的多功能性。然而，将多个亚表面结合起来实现更复杂功能性的努力受到了散射效率降低的阻碍，散射效率与同时执行的任务数量成反比。

这些系统中多功能性和效率之间的内在权衡是由于有限的自由度，所述自由度与设备的体积和最大折射率对比度成比例。特别地，这限制了任何超薄系统可实现的独立功能的范围，例如根据频率、偏振和入射角对光进行分类。通过对比度，厚度大于波长的三维散射元件通常编码许多同时发生的功能，尽管由于弱散射和折射率对比度，迄今为止只有低的效率。

历史上，光学设计一直是模块化的，这种模式提供了直观的方法来构建和重新配置光学设置。随着纳米制造技术的进步，使得制造具有子波长特征尺寸的结构成为可能，所述结构使得多功能光学元件可以结合更复杂设置的功能性。示例包括可以分离不同偏振和光谱带的亚表面透镜。然而，利用亚表面和其他平面结构所能达到的性能和功能性本身受到可被控制的光学模式数量的限制。

在子波长尺度上构造具有高对比度的折射率提供了可用于展示多功能光学元件的广阔的光学设计空间。到目前为止，其主要用于二维结构或亚表面。然而，它们的性能受到可用光学自由度的限制。

为了在以下部分中突出本公开的教导的益处，这里考虑了图像传感器的示例。目前，大多数传感器使用吸收滤波器记录颜色。图1示出了现有技术的图像传感器，其中每四个相邻像素在顶部具有吸收颜色滤波器:两个用于绿色，一个用于蓝色，一个用于红色。这种图像传感器的问题在于，因为大部分光被吸收，效率被限制在30％左右。

所公开的方法和设备解决了所描述的问题，并为上述问题提供了解决方案。

发明内容

最终的光学设计空间是三维体积，其中在空间分辨率小于最小相关波长的情况下，折射率可以随意控制。在这种情况下，光学自由度的数量巨大，并且可以用于实现具有高性能的完全非直观多功能设计。本公开的教导就基于这样的概念。