基于超表面的多光譜成像系統設計

張淳鈺，周錦松，何曉英，景娟娟，馮 蕾*

1.中國科學院計算光學成像技術重點實驗室，中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094 2.中國科學院大學，北京 100049

引 言

光譜成像系統能夠同時獲取目標的空間維和光譜維信息，具有圖譜合一的特點，被廣泛應用于航空航天遙感、水質監測、大氣污染檢測、石油礦物探測等多個領域[1-2]。隨著科學技術的進步，人們對于光學系統的便攜性與高精度需求越來越大，光學系統正朝著小型化、集成化、高通量的方向發展。傳統光譜成像系統通常利用折射率差異或表面形狀的變化來積累光程以實現對光波的控制，而自然界中的光學材料選擇有限，往往需要構建多個不同面形的元件方能實現色散與聚焦功能，使得光譜成像系統體積大、不易集成，限制了光譜成像系統小型化、輕量化的發展。隨著衍射光學理論以及微納加工工藝的發展，一種可以特定調制需要的人工“電磁超材料”隨之誕生，這種超材料稱之為“超表面”。它是一種由亞波長尺寸的單元結構組合而成的特殊結構，通過人為設計亞波長單元結構的尺寸、形狀及序構形式，便可調控光波信息，實現對電磁波的“特異性調控”，從而打破傳統材料的束縛。近年來，研究者對不同波段、不同材料的超表面進行了廣泛研究，最早由哈佛大學的Yu等提出相關概念，設計了一種V型天線實現了對光束的調控[3]。隨之，不同形式的單元結構相繼被提出, 通過改變單元結構形狀及尺寸產生不同的相位調制參數，從而實現如偏折[4]、聚焦[5-6]、全息成像[7-8]、極化調制[9]等功能。……