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超形光学:桥接纳米光子学和自由曲面光学

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十搏欧洲杯直播官网2021年4月30日:
卷。7,不。18,eabe5112
DOI:10.1126 / sciadv.abe5112

摘要

增强现实显示器、传感器和移动摄像机等高分辨率光学系统的需求需要创建新的光学组件架构。自由曲面光学和超表面的设计和制造的进步使它们成为解决以前需求的潜在解决方案。在这里,我们引入了超表面的概念,它将自由曲面光学和超表面的综合优点集成到单个光学组件中。我们用变形镜实验实现了一个微型成像仪。该反射镜是在自由曲面基片上通过增强电子束光刻工艺制作的。由超形所实现的设计自由度将支持新一代光学系统。

介绍

在本地和全球范围内以最小的形式因数定制设备的光学响应是新型成像系统光学设计的“圣杯”,如增强和虚拟现实(AR/VR)显示器、三维(3D)深度视觉、移动摄像机、遥感等(1- - - - - -17.)。最近的设计,制作和对Metasurfaces和FreeForm光学测试的进步使这两种技术非常适合解决这一新兴的光学系统的需要(18.,19.)。为了了解这些光学器件对光学设计的影响,让我们考虑成像系统的基本功能。

通过将光描述为光线或波来,可以研究光通过光学系统的传播。这两个观点在几何光学逼近状态下可互换,其中光学表面特征在比光波长大得多的比例上(20.)。定义为设备前沿的波前是垂直于均匀介质中的光线的表面。理想的成像系统是源自物体平面中的点的所有光线被成像到图像平面中的一个点,这相当于在图像空间中创建球形波前。然而,在实践中,输出光的架子表面不是一些或,最常见的任何场点的完美球体。与球形波前的偏差是我们称为光学像差。Freeform光学和元件是两种类型的光学设备,可实现输出波前的操纵,从而可以用于构建具有高成像性能的系统。

自由曲面光学曲面定义为(在光学部分内或外)没有旋转不变性轴的曲面(16.,21.- - - - - -25.)。对称约束的去除使得由于不同的光路长度而使每个光线长度通过反射或从自由形式界面折射而累积的不同光路长度来实现设计的相位波前响应。每种光线的路径由Snell的法律决定直接从Fermat的原则下进行。已经显示了包含自由形状表面的系统来实现紧凑的几何形状中的衍射限制的光学性能(12.,14.,26.,27.)。

相比之下,超表面通过与装饰平面的亚波长结构的光相互作用来实现波前控制。输出光的局部相位是通过变化特征属性来调整的,其尺寸在几十到几百纳米(对于可见光波长照明)的尺度上。虽然几何近似不能用来描述亚波长尺度上的近场光-物质相互作用,但超表面的远场行为可以用费马原理来描述,类似于传统光学(28.)。因此,基于广义的斯内尔的法律,通过子波长特征调制平坦表面的反射和折射特性。

光学元件如镜片(29.- - - - - -31.)及偏振器(32.,33.)已经使用平面元锉来实现。使用逆优化设计的任意形状的亚波长特征已在平面的正面表面线性光栅中使用,具有高衍射效率(34.)。扁平元件还用于光学元件,具有更复杂的相位响应,包括全息图(35.,36.)、立方体透镜和焦距可调的阿尔瓦雷斯透镜(37.)。在非成像光学领域也有一些研究,涉及隐身,利用超表面改变微米级弯曲界面的反射特性(38.)。

最近还展示了一种将柔性衬底上制造的平面超表面转移到柱面透镜(即高斯曲率为零的表面)的技术(39.)。与粘附应用类似,该工作中的弯曲基板被掩盖掩蔽。虽然柔性基板方法可以适于用非零高斯曲率符合通用非凸显表面,但是将需要柔性基板被拉伸,压缩或撕裂[根据高斯的定理eGregium(40)]。保证每个元质面特征将在表面上的正确位置符合需要详细研究柔性元表面的材料特性。对于自由形式衬底的一般情况下,该过程如果达到,则可能具有高再现性的挑战。

因此,据我们所知,尚未有任何用于在自由形式衬底上产生更完整的设计 - 制造工艺,其中既有变形镜头都既杠杆用于成像和差距更正。在当前的工作中,我们在Bauer开发的自由形式光学设计方法上提出了一种设计 - 制作框架建筑。(19.)和用于在自由曲面基片上超表面加工的增强电子束光刻(EBL)工艺。我们用一个近眼显示启发的成像仪的设计来演示该框架的可行性和优势。

Metaform工作原理

我们首先提出了元形光学概念(见图1) -由符合自由曲面基底的超表面提供的具有工程相位响应的光学表面。为了解释超形的工作原理,我们首先假定空间和时间相干光入射到超形上。光与自由曲面几何相互作用,积累相位来自光程差,另外积累相位来自光物质相互作用与纳米级超表面特征。让我们首先考虑一个自由曲面,由空间中的点定义,记为r= [x,y;z(x,y)], 在哪里z(x,y)自由形状表面是否偏离飞机(x,y)定义表面形状(如图所示)图。1A)。为简单起见,我们将考虑来自元形表面的光的反射,尽管器件的工作原理类似地应用于折射。让一个是入射光上的一个点B相应反射光线上的一个点图1C.。从自由曲面反射的光在点[x0,y0;z(x0,y0)]通过传播然后给出 ϕ 自由形式 ( x 0 , y 0 ; z ( x 0 , y 0 ) ) = ϕ ( B ) - ϕ ( 一个 ) = 一个 B d ϕ ( r ) = 一个 B k · d r (1)在哪里k是波矢量。然后,我们可以用费马原理的一般固定相位版本来描述光在自由曲面界面上的行为,从而得到传统的斯涅尔反射和折射定律。

图1 元表单的形成和功能的概念图。

(一个)两个元形阶段贡献由φ给出自由形式(由自由晶体赋予的相位)和φ荟萃(从光相互作用与元表面的相位)。(B)这是一个元窗体的例子,在这个例子中,元表面没有相对于自由形式基底正确地旋转,令牌没有沿着自由形式基底正确地定位,并且一些令牌丢失了。这些不一致导致另一个不希望的相位贡献ϕaberr以及最终图像中的光学像差和模糊伪影。(C)成功实施最终阶段φ的元形状metaform.通过从自由形式基板和元表面的设计阶段贡献的总和,精确地给出了进入光束。

接下来,我们需要考虑由光与共形超表面相互作用所贡献的相位。在理想情况下,由超曲面提供的突变相移沿自由曲面连续定义。然而,在实践中,期望的超表面相位首先是沿着(x,y)平面,类似地图。1A,步长小于光的波长。然后,在每个离散点上放置精心选择的光学薄谐振器(纳米标记),如图所示图1C.,以提供器件所需的相位和幅值响应。由于自由曲面斜率的变化范围远大于光的波长,而纳米标记物的波长远大于纳米标记物的波长,我们可以认为每个标记物周围的直接区域是扁平的,并以一定的角度定向。在某一点与组合的变形相交叉的一束光[x0,y0;z(x0,y0)]然后累积繁殖阶段情商。另外一个突然的相位ϕ荟萃(x0,y0)从与纳米令牌的光相互作用。因此,我们可以表达一点射线在一个点处交叉的总阶段[x0,y0;z(x0,y0)]累积为 ϕ metaform. ( x 0 , y 0 ; z ( x 0 , y 0 ) ) = ϕ 荟萃 ( x 0 , y 0 ) + 一个 B k · d r (2)

因此,对于沿着元形的一般点,我们可以编写设备的总相位贡献 ϕ metaform. ( x , y ; z ( x , y ) ) = ϕ 荟萃 ( x , y ) + ϕ 自由形式 ( x , y ; z ( x , y ) ) (3)

通过应用费马原理,我们还可以想到情商。在角度而不是相位方面,类似于yu定义的广义斯内尔的法律。(28.)。从射线角度来看,这些角度由光在两点之间反射之间选择以灯选择需要的路径确定。等效地,从波视角,基于反射相分布的导数(即,垂直于波前的传播矢量)的衍生来计算角度。在这两种情况下,入射光通过等于来自自由形式光学器件的角度贡献之和的角度重定向(基于传统的折射和反射法),以及与局部光相互作用的附加贡献。

阶段/角贡献的简单添加极大地简化了元表单的设计。此外,在自由曲面光学和超表面之间分配相位响应复杂性的能力允许我们利用这两种技术的优势。例如,考虑图1这显示了将metaform用作成像系统的一部分的场景。设备总相ϕmetaform.是元形的所需光学响应,使得它集中光并产生满足给定目标光学性能的图像(例如,衍射有限)。聚焦功率和不同的光学像差校正项可以分布在φ之间荟萃和φ.自由形式基于系统的设计、形状因素和制造要求的术语。因此,超表面和自由曲面基底可以共同设计,而它们各自的相位贡献可以独立分析(例如,使用自由曲面的射线追踪软件和超表面的电磁场传播软件)。

然而,尽管这两个部件可以单独设计,但在从设计到制造和测试的整个周期中,需要考虑自由曲面光学和超表面特征之间的空间关系。在一般情况下,自由曲面的光学和超曲面不具有转动和平移对称。因此,在制造和测试过程中,必须确定两个部件之间的相对全局位置和旋转,并保持这种关系与设计一致。同样,一旦在设计中选择了每个纳米标记的局部位置和方向,则需要在制造过程中沿着自由曲面相应地定位标记。如果有全球metasurface之间的转动和偏心误差和自由的衬底,或如果nano-tokens不正确地分布在自由表面由于制造错误或不当metasurface符合,然后总设备相位响应不等于像设计的那样ϕmetaform.。相反,最终的器件相位贡献将由超表面和自由曲面的两个期望贡献以及附加的ϕ提供aberr学期。该附加阶段会影响输出波前,从而产生如图所示的异常/模糊图像图。1B。为了演示metaform设备的成功实现,我们设计、制造和测试了一个基于metaform的系统,在下一节中讨论。

结果

选择系统是显示的微型成像仪图2A。元形光学器件的灵感是用作近似眼睛显示器的组合器。近似眼显示开发是元形可以特别有用的一个领域,因为结合实际观点的光学器件,并且数字图像必须符合现有的弯曲玻璃形状。此外,单独的自由形式光学器件不一定提供所需的自由度,因为它们受到传统的斯内尔法律的限制。菲涅耳反射可导致光学几何形状,其具有与玻璃的天然曲率相对的曲率(41.)。符合自由曲面光学的超表面可以允许偏离菲涅耳反射,从而实现理想的形状因子的组合,而机械倾斜的表面往往是不能容忍的。对于目前的概念证明,成像场景包括一个单一的变形镜,它形成一个位于有限距离的物体的真实图像。该系统设计用于632.8 nm的可见照明,以及超晶表面(见图。2B)是在环形自由曲面基板上形成的 z 自由形式 ( x , y ) = ( R y - R x - R x 2 - x 2 ) 2 - y 2 + R y (4)在哪里RxRy是环形的两个半径。环形形状提供自由形状衬底作为近似眼部显示器中的弯曲组合器的途径,这些显示器符合人体工程学地符合用户的脸部。该自由形式基板还方便地提供将光聚焦到图像平面上所需的功率,并策略性地成形为校正由轴外几何形状产生的散光。必须认识到,我们自愿没有倾斜基板以维持与美学近似眼睛显示形式因子共形的几何形状。在现有技术中朝向鼻子的实际基板倾斜,以使从寺庙成像到眼睛(42.),将导致臭名昭著的“虫眼”几何,这是用户无法接受的(41.)。相反,偏离轴几何形状由反射元表面设计创建。元表面还提供了额外的阶段贡献,以纠正残余像差 ϕ 荟萃 ( x , y ) = α y + β x 2 y + γ y 3. (5)

图2 使用元形镜子的微型成像器设计。

(一个)物体放置在距离光圈止光圈85mm的位置。使用51毫米工作距离显微镜物镜将图像传送到CMOS摄像机(未显示)。(B)超表面与自由曲面基底一致。超表面有一个主要的线性相位和一些彗差对像差校正的贡献。所述自由曲面基板是CODE V软件中定义的x -环面,并给出为Eq。4

全光学成像仪的规格,包括各值Rx,Ry, α, β和γ,见表格1

表格1 微型成像仪和变形仪的光学系统规范。

查看此表:

要理解为什么所需功能所需的自由形式和元质曲面都需要分解不同的相位贡献及其在形成最终图像方面的作用。首先,在与物体(或图像)相同的轴上对齐的部件导致相当大的遮挡和光损失。单独的FreeForm光学器件不能满足该需求,因为菲涅耳反射需要倾斜的自由形式以防止光束,这与近似眼睛显示的形式几何形状相反的光束。因此,使得元表面阶段被设计为包括线性术语,其允许未经切割的成像而不倾斜实际表面。然而,当在非轴配置中使用光学器件时,存在模糊图像的旋转变体和非匹配像差。METasurface和Freeform基础形状在串联中工作以校正产生的像差。具体地,自由形状的基础形状被设计为环形(代替球体),以首先符合眼镜透镜的一般形状,并且其精确的成形以校正由轴外几何形状产生的场 - 常数散光;Metasurface被赋予彗形相贡献(相位方程的第二和第三项)以减轻残余像差。或者,我们可以将COMA贡献添加到自由形式基板。将昏迷集成在元曲面内的主要决定代替是双重的:(i)以显着简化已经弯曲和复杂的基板上的元曲面的写入过程,(ii)以避免必须产生更复杂的基板 be used in transmission in a see-through architecture (43.)。因此,每个表面的相贡献被慎重地选择,考虑了自由基质和超表面的整个设计-制造链。重要的是,自由形状的光学和超表面在超形态中协同,通过一个紧凑的、保形的、折叠的几何图形来创建高分辨率的图像。

显示了设计的元形镜的技术图示图3A,实验实现的metaform如图3C.。制造挑战在图3B.在材料与方法中讨论。整个部件直径25.4毫米,由黄铜制成,在部件中心包含一个直径6毫米的凹基板。在黄铜衬底上涂上120纳米的Ag层和75纳米的SiO层2。这两层对于使用的金属介质 - 金属的功能是必不可少的(Ag-SiO2-Ag)型超表面光栅(44.,45.)。光栅覆盖2mm的活性元形面积1.5毫米。光栅子波长特征是具有变化宽度和高度的矩形,尺度为数十到数百纳米(有关选择令牌的选择的更多信息,请参阅材料和方法)。用于旋转对准的两组四个基准和凹槽用于计量和对准,以实现纳米令牌的所需位置和取向控制。

图3 成像仪元形镜的设计与实验实现。

(一个)部分的技术图。中心中的黑暗矩形对应于写入元表面光栅的区域。缩放的插图显示了来自Metasurface设计的一组令牌。(B)一个元窗体的示例,在不同的写区之间缺少标记和拼接/聚焦错误。带有这些问题的超窗体的SEM图像显示在底部的插图中。(C)成功的元形图像和一组型纳米令牌的SEM图像的缩放视图。照片学分:罗切斯特大学的Daniel K. Nikolov。三个纳米令牌插入不一定来自样品上的相同区域,但鉴于Metasurface的主要线性相位是良好的代表。所有三个插入的刻度为2μm。

图4A展示了1951年美国空军(USAF)分辨率目标的实验图像,使用微型成像系统和变形镜图3C.。从左上角0.351行对(lp)/mm到右下角超过5行对(lp)/mm,对不同尺寸的目标进行空间频率特征成像。用数值分析来评估对比度作为空间频率的函数,使用以下公式(46.) 对比 = 最大限度 - 最大限度 + (6)在哪里最大限度分别是三个条形目标中的杆的最大和最小强度。

Fig. 4 Experimental imaging results from the metaform.

The presented data are collected using the metaform from Fig. 3C. (A) Set of different regions of the resolution target imaged via the metaform. The object’s spatial frequencies range from 0.315 to >4.53 lp/mm, which corresponds to a range of 6.95 to >100 lp/mm in image space. The features decrease in size from left to right and from top to bottom. (B) Measured contrast as a function of spatial frequency (measured in image space). The length of the error bars corresponds to two SDs from the mean. The lines are smooth spline fits to the measured data for the horizontal (blue solid) and vertical (red dashed) frequencies, with fitting weights equal to one over the variance at each point.

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图4 来自元形的实验成像结果。

使用MetaForm收集所提出的数据图3C.。(一个)通过元形成像的分辨率目标的不同区域集。物体的空间频率范围为0.315至> 4.53磅/ mm,其在图像空间中的6.95至> 100 LP / mm的范围内。该功能从左到右和从上到下减小大小。(B)测量对比度作为空间频率的函数(在图像空间中测量)。误差条的长度对应于两个SDS来自平均值。线路是光滑的花键适合水平(蓝色固体)和垂直(红色虚线)频率的测量数据,其配合权重等于每个点的方差。

使用图像评估实验对比度图4A对于空间频率变化的垂直和水平杆目标。结果显示在图4B.。的最大限度通过在互补金属氧化物半导体(CMOS)相机上的几个像素上平均来评估值。绘图结果(垂直空间频率的水平空间频率和红色圆圈的蓝色交叉)对应于平均强度,而误差条表示所选像素区域上的强度分布的SD(一个错误栏是两个SDS长)。高水平空间频率的大误差杆是由于该制度中收集的数据的低信噪比。还使用拟合权重等于每个点的方差的拟合重量来绘制实验结果的光滑花粉适合。

讨论

如图所示图4B.,具有<230 LP / mm(物体空间中<10.42LP / mm)的图像平面中的空间频率的水平特征以及<100LP / mm的图像平面中的空间频率的垂直特征(<4.53LP / mm在物体空间中)成功解决了对比度超过10%。从实验结果来看,我们可以看出,垂直频率的成像性能比水平频率更差。有一些因素可以解释这一发现。曲率的曲率半径之间的差异RxRy并且对环形基板的相应设计值将导致散光和其他高阶像差。通过AG和SIO分配的任何不均匀性将进一步强调这些差异2涂层沉积在黄铜基材上。我们使用OptiPro Ultrasurf非接触式计量系统测量涂层部件。然后将测量的SAG数据安装在环形上,并构建RxRy分别计算为-8.24和-7.82 mm。派生的竣工Ry偏离标称值〜0.5%,部分地解释了垂直空间频率的性能下降。另一种可能的图像劣化来源是元表面和环形之间的残留旋转未对准误差,这是基于材料和方法中详述的对准程序的±2°。可以进一步调谐当前的制造工艺以实现甚至更高的衬底形状的精度和元表面和基板的对准,这最终会增加装置的整体光学性能。

目前的器件是反射型超晶,但同样的设计和制造方法可以扩展到实现透射型超晶。此外,我们提出的概念验证成像仪的尺寸只有1.5毫米× 2毫米。从理论的角度来看,创建几十毫米甚至更大的metaforms是没有限制的,这对于消费技术应用程序是理想的。然而,一些制造挑战(如EBL拼接精度)可能需要解决,如材料和方法和补充材料中讨论的。

在当前的工作中,我们假设每个纳米令牌的相位和幅度响应不会随着每个令牌的局部响应而导致的入射角变化。在我们提出的成像器设计中,自由形状表面斜率变化在透明孔径上小于1.5毫米的透明孔径为2毫米,因此这是一个合理的假设。However, in the general case where the freeform substrate can vary with much higher slopes and the field of view (FOV) may be much higher, the nano-tokens’ selection may occur via lookup tables for the phase and amplitude response of tokens with varying height, width, and angle of incidence.

我们还应该注意,文献中的大多数平坦的元件基于沿着设备平面等距离等距离的令牌。在元形情况下,该属性转换为在投影平面中等距的令牌,如图所示图。1A并用材料和方法讨论。然而,扁平的元锉和元形可以通过在非均匀的方式上采样质量表面的相位来设计x-y飞机。我们设想,对于超表面情况的一个调查问题是,在高自由形状斜率和/或快速超表面相变区域,以更高的标记密度对超表面进行取样是否对器件性能特别有利。这种可变采样将在整个设备中提供更连续的相位变化和相关的更高的设备效率(28.,47.)。

目前的成像仪设计有AR / VR显示应用程序,并记住FORM Constents。但是,成像仪不能像在显示设计中集成到。示出了使用元形组合器的AR / VR显示器的示例光学引擎的示例光引擎的草图图5。上面的成像器中使用的元形不透视。由于金属介质金属元表面的功能所需的AG背板,它本质上是不透明的。通过使用随机位置的孔阵列和随机直径大于可见波长的随机直径可以克服这种限制(43.)。可以通过改变孔的直径和密度来调节透视比。或者,可以使用基于符合透射自由变形光学介质的电介质元表面的元形。该元形是固有的透视,并且可以应用二向色涂层来调节反射的数字图像和真实世界之间的亮度比。

图5 示例AR eyeglasses架构的自上而下视图草图。

类似于本作工作中呈现的元形成像器可以用作光学组合器。

本文介绍了一种基于自由曲面光学基板的超表面的新型光学成像器件——超形器件的概念和工作原理。两个子组件的绝对相位和相对相位必须根据所需的器件形式因素、像差理论和Bauer先前开发的设计框架仔细选择。(19.)。超形的相位分布所带来的额外自由度允许光学设计人员在光学性能、系统体积和形状因素之间进行关键的设计权衡。为了展示这种新型光学元件的优势,我们选择了具有挑战性的AR/VR显示成象器应用领域。这种类型的成像仪需要符合一个眼镜的形状因素。因此,它要求成像光学跟随眼镜的自然凹曲率,而没有额外的物理倾斜。我们展示了一种基于变形镜的微型成象器,其可见设计波长为632.8 nm。该系统成功地在目标空间中成像了不同空间频率的特征,成像精度可达10.42 lp/mm。微型成象器的实验实现显示了超形光学利用超表面和自由曲面光学的优势来解决具有挑战性的光学设计问题的前景。

材料和方法

一般设计和制造考虑

受增强现实组合器光学设计挑战的激励,我们努力制造一个反射超形态——在反射自由曲面基底上的超表面。我们创建了一个成像场景和相关的光学设计来演示超变形光学的使用,并提供了一个测试所制作设备的设备。我们选择了一个变形的清晰孔径高达2毫米XY,这被认为是EBL的大写区域由于单个写入区域的有限尺寸(典型的EBL目标最大FOV高达1mm)。对于成像,认为具有2毫米部件的光学系统被认为是小的,因此整体设计预计将非常紧凑。如下部分所述,实际孔径槽甚至更小(0.8mm),因为它位于远离差距校正的元形以进行像差校正。给定进入0.8mm光圈停止的有限量的磁通量,设置小图像平面将确保在检测器上形成的图像的足够亮度。但是,在我们的反思轴外几何形状中,我们也必须在视觉锻造图像时平衡潜在的许可问题。因此,我们相应地设定了焦距,以实现明亮,视野的图像,导致所选择的缀合物的系统F /#约为4.7,并且相关的有效焦距为4mm。短焦距和相关图像距离阻碍了将传感器放置在图像以进行直接检测的能力。相反,元形镜像使用显微镜物镜创建了一个中间图像,该中间图像被重复于CMOS传感器。重量可确保光学元件的必要间隙。在以下部分描述了成像器的设计,制造和实验性实现的细节。

元质面积的小特征尺寸,基板的旋转非对称弯曲性质,以及相对较大的元表面占地面积引入了各种制造挑战。显示出不成功,并且成功实现所需的元形表面图3,B和C,分别。在补充材料中进一步讨论了制造迭代。

光学设计

当在成像系统中仅使用反射光学器件时,必须注意光的潜在遮蔽,因为它通过系统传播。对于沿着相同轴对准的光学部件作为物体或图像,发生了相当大的遮蔽,导致光损失。通过使用表面和/或倾斜表面的轴外部,可以减轻这种挑战,以确保保持光线间隙(48.)。然而,在倾斜或轴外表面违反系统约束的情况下(如在AR / VR显示器中),可以利用其他中心表面利用元件以提供在优选方向上重定向光所需的线性相位。线性相位是第一个将元件函数集成到元形中。

元形的第二元表面函数是像差校正。如上所述,当在非轴配置中使用光学器件时,旋转变体和非Variant像差都模糊图像。由MEDasurface使用比线性的高阶术语启用的任意阶段允许校正系统的像差。然而,像差校正在自由形式光学器件和元表面之间分开。自由形式提供散光校正,平衡从光栅的线性术语引入的像差。然后,METASURFACE提供额外的COMA校正。

光圈停止位置是系统整体像差校正的关键参数。通过用于解除扫描的线性相位术语产生的轴轴几何形状产生的主要旋转变型像差是场 - 常数散散,场常数彗星和现场不对称场 - 线性散光(19.)。如果光阑位于镜面,则只有场常数像差可以被校正,从而留下大量场相关散光。然而,通过在光学表面前移动光圈,场足迹在镜面上展开,允许使用超表面的comatic相位项(49.)。

考虑到列出的考虑事项,最终的成像器设计如下所示图2。第三方光学设计软件包CODE V (Synopsys, Mountain View, California, USA)用于设计的优化。优化后系统的完整规格如下表格1

METASURFACE设计

在成像仪光学设计过程中,在代码V中定义了元表面作为理想相多项式光栅。该表面的相位响应由X-Y多项式给出,多项式系数在优化期间变化。如在引言中的说明,元形的元形部件可以与平坦的元曲面类似地设计,只要纳米令牌符合通过设计确定的自由形式基板即可。为了在当前工作中实现规范,CODE V的X-Y多项式阶段被离散地对(x,y)以统一的方式投影。不需要这种均匀的采样,并且在一般情况下,可以改变离散点的分布。一旦优化的阶段响应(由情商。)的离散化,在使用时域有限差分(FDTD)软件Lumerical (Ansys/Lumerical, Vancouver, BC, Canada)模拟的基础上,选择在每个离散点上要整合的元表面标记。

模拟过程是相同的一个在以前的出版物使用的Ag-SiO2-Ag超表面光栅(44.,45.)。具有AG背板和SIO的单个AG纳米令牌的参数扫描2通过改变令牌宽度和高度(40至300nm)来进行间隔物。每个令牌的相位和幅度响应被记录在查找表中。将完整的2mm的相响应达1.5mm元表面°分为400nm的区域,其用作光栅的单元电池。从查找表中选择一个令牌,以获取每个单元单元的查找表,以匹配该位置的最佳设计阶段,同时具有最高的反射率(超过90%)。将设计分成11个区域,具有伪相等的高度(每个区域内的最大SAG偏差为10μm),并且每个区域的令牌信息保存在单独的布局文件中,用于EBL制造。

环形线圈衬底制造

环形基板部分设计成适用于用于在弯曲基板上写入EBL写入的盒式磁带(50.),如图S1。该部件的直径为25.4毫米,厚度为4毫米。采用金刚石车削加工直径为6 mm的凹环面区域,而零件上的基准是激光蚀刻的。首先在厚度变化<10-μm的1英寸抛光黄铜坯料上蚀刻两个凹槽。第一个是垂直于环形平面的凹槽,用于对准。第二个是一个v型槽沿周长的空白,用于安装metaform。在制造环面的金刚石车削机上,坯料的中心相对于其边缘。然后,该零件被移动到激光蚀刻机,并登记的垂直槽,以保持相同的旋转对准金刚石车削机。两组四个可区分的基准被激光蚀刻在零件上。第一套在毛坯的平面上,第二套在凹区内。 These fiducials were to be used for alignment during the EBL writing, the metrology, and the final imager assembly. The relative rotational error between the fiducials and the toroid axis is ±1°. The corresponding relative decentering error is ±50 μm.

EBL制作

元形光学器件如下制造。120nm厚的Ag(接地层)和75nm厚的SiO2通过电子束蒸发涂覆在环形基板的顶部(使用PVD 75叶片,底座真空2×10−6Torr,沉积速率保持在AG和SIO的0.3埃/秒2)。通过旋转涂层将底层60 nm的PMMA 495(甲苯甲醚中的A2)和顶层80 nm的PMMA 950(甲基异丁基酮(MIBK)中的M2)置于基材上,制成双层电子束抗蚀剂。将设计的超表面图案(2mm × 1.5 mm)通过EBL转移到双层抗蚀剂中。

由于电子束聚焦深度(DOF)的固有限制,非平面衬底上的电子EBL具有相当的挑战性,对于100千伏电子EBL系统,电子束聚焦深度通常为几十微米。对于我们的非平面衬底,高度变化为~100 μm。我们采用焦点区域分裂技术,将整个图案写在环形衬底上(51.)使得每个区域的高度偏差小于EBL目标的DOF(以保证尖锐的纳米令牌特征)。我们将整个图案划分为对应于环形基板区域的区域,其中高度变为10μm。这些区域具有环形形状,并且总共2毫米的11个区域为1.5mm。

环形基板安装在图1所示的盒子中。S1B。用于两个外部基准(在部分的平坦区域)的边缘用于调节盒内部分的旋转。来自钻石转动触摸关闭的圆形槽用于定位环形的顶点。然后,基于Mitaka NH-3N激光探针的3D测量系统,用于找到环形顶点相对于盒子上的标记和黄铜部分上的基准的相对位置。使用直径为几十纳米的镍珠被用来标记镜子基板的平坦区域上的一个基准。

然后将盒安装在JEOL JBX-6300FS EBL系统内,如图2所示。S1A。镍珠位置用于校准与Mitaka显微镜的坐标系的EBL坐标系。该过程保证了JEOL将在正确的X-Y位置和高度相对于环形的顶点写入11个焦点区域。使用具有62.5μm的最大方形FOV的物镜,使用62.5μm,定义每个写入字段的大小。针对每个焦点区域内的每个写入字段计算目标镜头和偏转器的必要调整参数。根据使用倾斜的Si晶片()基于校准测量来导出参数值(50.)。然后通过将物镜的聚焦平面调节到每个区域的中高度来顺序地依次暴露区域1至11。偏转器用于暴露每个焦点区域内的不同写字字段。

该部件在电子束书写后,在MIBK:异丙醇(IPA) (1:3)/IPA (60/30 s)溶液中开发。用氧等离子体脱胶去除残留的PMMA,时间为30秒。随后,利用电子束蒸发在衬底上制备了Ag纳米标记物(为使Ag在SiO上具有良好的附着力,预涂了2nm的铬)2), Cr/Ag蒸发后,在脱除剂PG溶液(60°)中进行脱除。

计量

有多个度量度量步骤来确保最终的metaform质量。如前所述,超表面标记的局部和全局位置非常重要。首先,对制备后的环形衬底进行了评价。那零件在光学显微镜下目测检查过。使用Zygo NewView三维光学表面轮廓仪验证了表面粗糙度的均方根小于3nm。使用Zygo verfire激光干涉仪验证了相对于基准的粗糙环面定位。然后使用OptiPro UltraSurf非接触式测量系统进行精确的表面形状测量。Ag和SiO2然后沉积层,如上一节所述。然后对涂层部分重复上述所有测量。在超表面EBL书写后,用光学显微镜检查浓度、旋转和缝合误差。然后进行最后的Ag沉积和剥离,并用扫描电子显微镜(SEM)对完成的变形部分进行成像。在成像器的实验实现中验证了该方法的实际成像质量。

实验成像仪的配置和装配

采用宽带光纤白酶微超连续激光对物体进行了激光照射。采用一个全宽度为10 nm的半最大带通滤波器632.8 nm来匹配设计波长。使用125毫米焦距的平凸透镜和−25毫米焦距的平凹透镜扩展激光输出以照亮所需的物体大小。在时域有限差分法(FDTD)超表面模拟中,采用线性偏振器来匹配照明偏振。目标是一个美国空军1951年的否定,传输分辨率目标。该变形体通过与5自由度运动平台相连的透镜管内的v型槽安装。工作距离51 mm,数值孔径0.21,放大倍数×10的有限耦合Mitutoyo显微镜物镜被用来将图像中继到CMOS机器视觉彩色相机。相机的曝光设置是不同的,以收集两组图像——一组饱和图像以获得良好的视觉可读性(图4A)和一组用于数据分析的非饱和图像(用于图4B.)。完整设置图示于图2中。S2。

补充材料

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

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参考和笔记

致谢:这项工作部分地部于是密歇根大学Lurie Nanofabrication设施。我们要感谢M. Pomerantz和D. Teverovsky在使用超声波计量设备,L. Qiu为最终元形状的AG沉积和升降机的援助提供帮助,以及G. Gandara-Montano促进关于测量的讨论光学对比度。该研究与国家科学基金会I / UCRC中心进行协同作用(IIP-1338877,IIP-1338898,IIP-1822049和IIP-1822026)。资金:这项工作部分受到来自链接基金会的奖学金和新兴和创新科学中心的资金支持。作者捐款:D.K.N.共同设计的元曲面并准备了制造的设计,创建了用于分析元形光学性能的软件工具,引导自由形式衬底制造,进行自由形式镜的计量测量,有助于EBL对齐,设计和构建实验成像设置,收集并分析了成像结果,并准备了稿件草案(将文本纳入其他作者)。A.B.设计了包括重叠臂的微型成像仪,开发了用于分析元形的光学性能的工具,并贡献给稿件文本。F.C.共同设计了元曲面,为EBL准备了自由形式镜,辅助开发EBL工艺,LED EBL制造,进行了SEM成像,并为本稿文做出了贡献。H.K.协助和调试EBL流程的开发,并指导使用JEOL机器进行EBL制造。A.n.v. and J.P.R. conceived and supervised the project. All authors discussed the results and revised the manuscript.利益争夺:提交人声明他们没有竞争利益。数据和材料可用性:评价论文结论所需的所有数据均在论文和/或补充资料中。可能要求作者提供与本文相关的其他数据。

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