德国研究员为AR/VR显示研究有源超透镜,提高电子聚焦、变焦效率

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电控变焦

映维网Nweon 2022年12月08日)AR/VR头显,业界正积极探索令设备变得轻巧,同时确保图像清晰的方式。遗憾的是,这个任务在光学层面面临着一个关键的限制:传统透镜是会把不同波长光线聚焦在不同位置的曲面玻璃,从而导致模糊的影像。所以,无论是智能手机摄像头还是大型投影仪,它们都会采用多透镜设置。然而,这增加了重量,厚度与复杂度,同时提高了成本。

所以,行业早就把目光投向了超表面(MetaSurface),一种厚度小于波长的人工层状材料,并且可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。

利用超表面(MetaSurface)来聚焦光线的平面透镜则称为超透镜(MetaLens),它能够合适地将光谱中的不同颜色光线聚焦在同一点。超透镜具有超紧凑的优势,同时能够在更广泛的光线范围内提供更高质量的成像,无需多透镜设置。

对于超透镜,社区最关注的领域之一是可切换和有源超透镜。

通常,有源超透镜可以实现类似机械可调变焦物镜的调整。换句话说,除了上面提到的优势,有源超透镜同时可以在不采用机械调焦的情况下实现变焦功能。

具体而言,超透镜的切换依赖于所用材料的光学性质在外部刺激下的变化。其中,相关变化是由温度、化学或电学驱动,而后者是电光器件最理想的选择。

然而,大多数当前的有源超透镜方法都不会对纳米天线材料本身进行电切换。事实上,围绕超透镜的材料或超透镜材料本身都是被动调整/改变,从而限制了可实现的切换对比度、功能性和总体设计自由度。

作为对比,使用具有电驱动金属到绝缘体转变的智能功能材料制成的纳米天线将允许根据需要完全打开或关闭超透镜,从而实现相应的功能。

日前,德国斯图加特大学的研究人员就展示了这种由可电切换的超透镜。在实验中,通过仅±1的外加电压,等离子超透镜能在完全开启和关闭状态之间切换。

斯图加特大学的聚合物超透镜概念如图1所示。它由两个独立的可电切换超透镜(1和2)组成,放置在ITO(氧化铟锡)涂层基底之上,并由电解质隔开(图1a)。

每个超透镜包括等离子体聚合物纳米天线,其可通过+1V和-1V的施加电压在金属状态和绝缘状态之间切换。特别地,纳米天线的等离子体共振可以完全电接通或断开。

这个概念与使用相变材料的纳米天线的其他直接方法截然不同。后者的材料通常由温度切换,同时转变采用结构重新取向(例如非晶态到晶态),因此造成的是折射率变化而不是金属到绝缘体的转变。通过使用电阻加热,这种温度辅助开关机制可以显著加快,但需要相当高的电压(5V–25V) 。

在团队的概念中,+1 V已经足以切换成金属状态,从而使单个超透镜变为打开状态。-1V则切换成绝缘体,从而关闭折射。

取决于施加到单个聚合物超透镜的电压,研究人员获得四种不同的输出状态,如图1b–e所示。

在图1b中,超透镜1打开(+1 V) 而超途径2关闭(−1 V) 。只有超透镜1聚焦入射的准直光束。物镜具有焦距f1

在图1c中的反转情况(超透镜1关闭,超透镜2打开)仅使超透镜2聚焦入射光。物镜具有焦距f2。

在图1d的第三种情况下(超透镜1打开,超透镜2打开),团队获得了唯一的多焦点状态。由于团队提出的超透镜使用几何相位和圆偏振光的一般工作原理,两个超透镜不会相互影响。入射的右圆偏振(RCP)光聚焦为左圆偏振(LCP)光,反之亦然。这意味着聚焦光相对于入射光是交叉偏振。两个超透镜分别聚焦入射的圆偏振光,从而获得两个焦点,如图1d所示。

在图1e中,没有聚焦光,当施加电压为−1 V时,超透镜1和超透镜2均关闭。

当然,尽管可以通过电控实现变焦功能,但团队坦承目前的聚焦效率有待提高。

如上图所示,研究人员获得了FWHM(半峰全宽)为81 μm的焦点,照射波长λ = 2.65 µm。请注意,理论衍射极限FWHM约为10 μm,这是假设完美的单色照明并忽略了色散和像差。像差的一个潜在原因在于大面积聚合物超透镜的制造,它对制造误差依然相当敏感,而这种不精确性可以由电子束光刻的write-field对准或由半定向氩干法蚀刻引起。

另外,直径为1.5 mm的超透镜是由100 µm × 100 µm write-fields的亚单位设计。因此,这意味着超透镜的聚合物纳米天线将显示出与理想形状/尺寸,以及与准确位置和旋转角度的偏差,而这会引入像差。同时,研究人员达到了红外摄像头的分辨率极限,而这可能会导致进一步的错误。

到目前为止,所述超透镜的聚焦效率为0.8%。它受到等离子体共振的整体调制的限制,如图2d所示。所以,材料工程以及优化金属聚合物的掺杂水平将提高未来的聚焦效率。

接下来,我们将注意力转向开关性能。如图3a所示,使用液体电解质中的电化学设置进行电气切换。它包括一个三电极装置,涉及一个参考电极和一个对电极。请注意,电化学电池可以用紫外敏感胶或热塑性塑料完全空气密封。

为了促进与AR/VR设备的集成,液体电解质可以用凝胶状或固体电解质代替。在团队的配置中,聚合物金属本身充当工作电极,并通过ITO层接触。

同时,使用位于超透镜焦平面内的红外摄像头对透射强度和光束轮廓进行成像。最重要的是,图3b证明聚合物超透镜可以根据需要在打开和关闭状态之间切换。

电压为+1 V将纳米天线的等离子体共振打开,从而打开超透镜(右)。聚合物转变为金属状态,研究人员在焦平面观察到一个焦点。相比之下,−1 V关闭等离子共振和超透镜(左)。聚合物切换到绝缘状态。。最后,在打开和关闭状态之间的电光切换可逆,并且可以在数百个切换周期内重复,切换频率最高达到33 Hz。

上面提到团队研发的超透镜可以在四种不同状态之间切换,而结果如图4b所示。

在第一状态(最上方,)中,超透镜1被设置为打开(+1 V) 而超透镜2设置为关闭(−1 V) 。只有超透镜1聚焦入射的圆偏振光束,并且可以在位置z = 6mm发现焦平面F1有单个焦点。

 第二种状态(超透镜1设置为关闭,超透镜2设置为打开)切换物镜的焦距,可以在位置 z = 8.5 mm发现焦平面F2有单个焦点。

另外,团队同时利用物镜实现了另外两种状态。通过+1V的外加电压同时打开两个超透镜1和2,从而创建多焦点物镜。研究人员在焦平面F1和F2都获得了焦点。

然后,通过将−1 V施加到两个聚合物超透镜(图4b最下方),将两者设置为关闭并进入绝缘状态。这时没有观察到焦点。

相关论文Electro-active metaobjective from metalenses-on-demand

总的来说,德国斯图加特大学通过使用光学金属到绝缘体过渡展示了按需电切换。研究人员观察到超透镜的打开和关闭状态。团队认为,未来可以进一步提高聚焦效率和切换速度,例如可以通过改变纳米天线的总体尺寸(要切换的材料更少)、通过移除纳米天线顶部的SiO2覆盖层(更大的表面用于电解质)、或通过使用不同的电解质。

同时,通过将两个超透镜结合到一个元物镜中,团队展示了包括多焦点状态在内的四种不同状态。对于未来的方法,研究人员提到这种超透镜可以用到AR/VR设备。当然,他们的目标是更高的电荷载流子密度和更短的等离子体波长,从而实现电信甚至可见光范围内的可切换等离子体操作。随着技术的发展,德国斯图加特大学认为“甚至用于AR和VR应用的可见视频速率全息图都将实现”。

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