近日，物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队设计了用于深度成像相机的色散调控超构透镜。研究成果以“基于色散调控超构透镜增强光子通量的被动深度成像相机（Enhancing Photon Throughput of Miniaturized Passive Depth-Detection Cameras via Broadband Dispersion-Engineered Metalenses）”为题，发表于《ACS光子学》（ACS Photonics）。
高光子通量、小体积的深度成像相机在许多领域都有广泛的应用。相对于需要主动光源的飞行时间、结构光等主动深度成像技术，在环境光下就能对目标实现深度成像的被动成像技术更有望于实现相机的微型化。超构透镜(Metalenses)作为拥有强大光调控能力的亚波长平面光学元件,有望将深度成像相机的性能和体积推向更高极限。基于点扩散函数Point Spread Function (PSF)调制的超构透镜在普通超构透镜的基础上添加灵活的深度相关点扩散函数变化，可以对成像目标同时实现成像和深度信息提取。基于点扩散函数调制的单透镜超构透镜，为深度成像微型相机提供了一个优秀的平台。然而，目前基于点扩散函数调制实现的单透镜超构透镜深度相机都只能在窄带宽下工作，大大限制了其光子通量，这对成像是十分不利的，尤其是运动物体成像。拓宽工作带宽可以大大增加器件光子通量，且不增加系统体积。然而带宽的拓展会进一步引入色差，导致成像模糊以及引入点扩散函数的波长变化导致深度信息提取误差。
最近，同济大学物理科学与调控学院王占山教授和程鑫彬教授团队提出了一种基于色散调控超构透镜增强光子通量的深度成像相机。其以双螺旋点扩散函数Double-helix PSF(DH-PSF)作为深度成像的基础，结合超构透镜的色散调控能力，提出了一种宽波段下工作的无色差双螺旋超透镜，以提高小型化被动深度成像相机的光子通量和缓解成像过程的运动模糊。通过色散调控，宽带消色差DH超构透镜在宽带波长上实现了不随波长旋转的双螺旋点扩散函数，从而消除了色差引起的深度探测误差。另外，为了获得更高的光子通量，该超构透镜的工作带宽被扩展到200 nm，与工作带宽为30 nm时相比，曝光时间缩短了10倍。即使在对运动物体进行感知成像的情况下，超构透镜也可以捕捉到清晰的图像，获得准确的深度信息。所提出的超透镜为在低光环境下工作的小型化被动深度探测相机提供了一种提高光子通量的解决方案。
图1 (a)不同的超构透镜以及(b)运动模糊的示意图
首先，该团队对不同的双螺旋函数超构透镜进行了对比和分析，并且由仿真证实了，在宽工作带宽下，可以通过超构表面的色散调控能力消除成像过程中的色差来缓解点扩散函数调制实现的深度成像中引入的深度信息提取误差。图(1)为不同超构透镜以及运动模糊的示意图。
随后，通过电子束直写，原子层沉积，干法刻蚀的制备技术，加工得到了宽带双螺旋超构透镜和宽带消色差双螺旋超构透镜样品，进行对比分析。如图2所示。图(a)为制备得到样品的光学显微镜和扫描电子显微镜图。图(b)为不同宽带超构透镜的对比。图(c)为点扩散函数的标定。
图2.双螺旋点扩散函数超构透镜的形貌表征和PSF标定
最后，其将宽带消色差对静止物体和运动物体进行成像实验。从图(a)可以看到，该超构透镜可以在宽带入射光下对物体进行成像和深度信息获取。另外，在图(b)和图(c)的对比中可以明显看到，工作带宽的拓展带来光子通量增加对运动模糊的缓解效果很好。
同济大学程鑫彬教授和顿雄特聘研究员为论文共同通讯作者，同济大学博士研究生张占一和同济大学博士后谢凌云为论文的共同第一作者，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学王占山教授，同济大学博士后何涛、朱静远，同济大学博士研究生张健。
论文链接
Zhang, Z., Xie, L., Zhang, J., He, T., Zhu, Jingyuan., Dun, X., Cheng, X. (2023). Enhancing Photon Throughput of Miniaturized Passive Depth-Detection Cameras via Broadband Dispersion-Engineered Metalenses. ACS Photonics.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.3c01078
