長波紅外(LWIR)成像在許多應(yīng)用中具有重要意義，從消費(fèi)電子產(chǎn)品到特殊行業(yè)。它應(yīng)用于夜視、遙感和遠(yuǎn)程成像。然而，這些成像系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)折射透鏡體積大、重量重，幾乎不適合所有應(yīng)用。更復(fù)雜的問題是，許多LWIR折射透鏡是由昂貴且供應(yīng)有限的材料(如鍺)制成的。

下一代光學(xué)系統(tǒng)要求透鏡不僅比以往任何時(shí)候都更輕、更薄，而且要保持不妥協(xié)的圖像質(zhì)量。這一需求促使人們大力開發(fā)超薄亞波長衍射光學(xué)元件，即超光學(xué)元件。

超光學(xué)元件，最簡單的形式，是由一個(gè)平面上亞波長尺度納米柱陣列組成，每個(gè)柱子對穿過它的光引入局部相移。通過特殊排列這些柱子，可以控制光產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和透鏡。雖然傳統(tǒng)折射透鏡接近一厘米厚，超光學(xué)大約500微米厚，這大大降低了光學(xué)元件的整體厚度。

超薄超光學(xué)元器件有可能使成像系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都更輕、更薄。

然而，超光學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)是強(qiáng)烈的色差。也就是說，不同波長的光以不同的方式與結(jié)構(gòu)相互作用，結(jié)果通常是一個(gè)透鏡，它不能同時(shí)將不同波長的光聚焦在同一個(gè)焦平面上。很大程度上是由于這個(gè)問題，超光學(xué)元件尚未完全取代其折射對應(yīng)物，盡管在尺寸和重量減輕方面有好處。

特別是，與可見波長超材料光學(xué)相比，長波紅外超材料光學(xué)領(lǐng)域相對未被開發(fā)，并且鑒于該波長范圍的獨(dú)特和廣泛的應(yīng)用，超材料光學(xué)相對于傳統(tǒng)折射透鏡的潛在優(yōu)勢是顯著的。

現(xiàn)在，在《自然通訊》上發(fā)表的一篇新論文中，由華盛頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系(UW ECE)和物理系副教授Arka Majumdar領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)多機(jī)構(gòu)研究小組引入了一種名為“MTF工程”的新設(shè)計(jì)框架。

調(diào)制傳遞函數(shù)或MTF描述了透鏡如何根據(jù)空間頻率保持圖像對比度。該框架解決了與寬帶超光學(xué)相關(guān)的挑戰(zhàn)，以設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)性地演示在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中使用超光學(xué)進(jìn)行熱成像。該團(tuán)隊(duì)基于已經(jīng)成功的逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)同時(shí)優(yōu)化支柱形狀和全局布局的框架。

利用人工智能和新逆向設(shè)計(jì)框架

研究團(tuán)隊(duì)方法的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是使用人工智能——一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)模型——在支柱形狀和相位之間進(jìn)行映射。在大面積光學(xué)器件的反向設(shè)計(jì)過程中，模擬光如何在每次迭代中與每個(gè)支柱相互作用在計(jì)算上是不可行的。

為了解決這個(gè)問題，作者模擬了一個(gè)大型納米柱庫(也稱為“元原子”)，并使用模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練DNN。DNN能夠在優(yōu)化循環(huán)中實(shí)現(xiàn)散射體和相位之間的快速映射，從而允許對包含數(shù)百萬微米級柱的大面積光學(xué)器件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)工作的另一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是品質(zhì)因數(shù)(FoM)，導(dǎo)致該框架被稱為“MTF工程”。在逆向設(shè)計(jì)中，人們定義了一個(gè)FoM，并通過計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)或排列，以最大化FoM。然而，為什么產(chǎn)生的結(jié)果是最佳的，這通常并不直觀。在這項(xiàng)工作中，作者利用他們在超光學(xué)方面的專業(yè)知識定義了一個(gè)直觀的FoM。

Majumdar解釋說：“品質(zhì)因數(shù)與MTF曲線下的面積有關(guān)。這里的想法是通過鏡頭傳遞盡可能多的信息，這些信息被捕獲在MTF中。然后，結(jié)合輕型計(jì)算后端，我們可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像。品質(zhì)因數(shù)反映了我們對光學(xué)系統(tǒng)的直觀認(rèn)識。當(dāng)所有波長都表現(xiàn)良好時(shí)，這個(gè)特定的FoM得到了優(yōu)化，從而限制了我們的光學(xué)系統(tǒng)在指定波長上具有統(tǒng)一的性能，而沒有明確地將均勻性定義為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。”

這種方法結(jié)合了超光學(xué)和輕計(jì)算后端的直覺，與簡單的超透鏡相比，顯著提高了性能。

作者用一塊硅片制造了他們設(shè)計(jì)的光學(xué)元件，這對未來無鍺長波紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用很有前景。雖然承認(rèn)在實(shí)現(xiàn)與商用折射透鏡系統(tǒng)相當(dāng)?shù)某上褓|(zhì)量方面仍有改進(jìn)的空間，但這項(xiàng)工作是朝著這一目標(biāo)邁出的重要一步。

研究人員慷慨地通過GitHub在線發(fā)布了他們的MTF工程框架，名為“metabox”，邀請其他人使用它來設(shè)計(jì)自己的超光學(xué)元件。研究團(tuán)隊(duì)對在更廣泛的科學(xué)界利用metabox可能出現(xiàn)的潛在工作表示興奮。

華盛頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系附屬團(tuán)隊(duì)成員包括最近的校友Luocheng Huang(論文的第一作者)和Zheyi Han，博士后研究人員Saswata Mukherjee、Johannes Froch和Quentin Tanguy，以及華盛頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系教授Karl Bohringer，他是華盛頓大學(xué)納米工程系統(tǒng)研究所的所長。

審核編輯 黃宇