基于“自由介質(zhì)超構(gòu)表面+深度學(xué)習(xí)”的多波長(zhǎng)紅外圖像傳感器開發(fā)

在自然科學(xué)的眾多領(lǐng)域中，光學(xué)研究始終占據(jù)著顯著地位。為了深入解析光的復(fù)雜特性，并實(shí)現(xiàn)其在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，高精度的光電探測(cè)與傳感技術(shù)已成為光學(xué)和材料科學(xué)研究的關(guān)鍵。近紅外多光譜成像技術(shù)通過辨別各種目標(biāo)的光譜特征來增強(qiáng)目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別。然而，傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)嚴(yán)重依賴復(fù)雜的光學(xué)濾光片設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)通常體積龐大且機(jī)械不穩(wěn)定，對(duì)微型化和集成化提出了重大挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由浙江大學(xué)馬蔚研究員、儲(chǔ)濤教授課題組聯(lián)合美國(guó)東北大學(xué)劉詠民教授課題組組成的研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Optical Materials期刊上發(fā)表了以“Deep Learning Design for Multiwavelength Infrared Image Sensors Based on Dielectric Freeform Metasurface”為主題的論文。

該論文報(bào)道了利用深度學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì)得到了具有高透射效率和波分復(fù)用功能的自由形狀介質(zhì)超構(gòu)表面，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在近紅外波段可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)成像探測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)、生物組織成像以及深空探測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

這種創(chuàng)新的紅外成像技術(shù)采用高折射率硅納米結(jié)構(gòu)來有效地調(diào)制近紅外光的復(fù)雜振幅。圖1顯示了自由形狀介質(zhì)超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)和工作原理。隨后，研究人員基于時(shí)域有限差分（FDTD）方法模擬了晶胞的透射相位和振幅。

圖1 超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)和工作原理

接著，依托自行開發(fā)的深度學(xué)習(xí)逆向設(shè)計(jì)模型，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)像素所需自由形狀納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明，這些納米結(jié)構(gòu)能夠以極低的串?dāng)_將多個(gè)目標(biāo)波長(zhǎng)（1150 nm、1350 nm及1550 nm）的光聚焦至不同的空間位置，每個(gè)位置與紅外CCD上的檢測(cè)像素相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了高效的多波長(zhǎng)紅外探測(cè)與成像。這種獨(dú)特的成像技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中可用于更精確的診斷，在生物組織成像中提供更深入的洞察，在深空探測(cè)中則有助于更好地探索宇宙的奧秘。

圖2 深度學(xué)習(xí)逆向設(shè)計(jì)模型

然后，研究人員運(yùn)用化學(xué)氣相沉積和電子束光刻技術(shù)制造了深度學(xué)習(xí)所設(shè)計(jì)的自由形狀的納米結(jié)構(gòu)；通過利用誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，成功將這些形狀模式轉(zhuǎn)移到硅層上，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。

圖3 波分多路復(fù)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后，研究人員利用所制造的超構(gòu)表面，并使用超連續(xù)激光作為多波長(zhǎng)光源，通過1951年美國(guó)空軍（USAF）分辨率測(cè)試圖進(jìn)行了近紅外多光譜成像的實(shí)驗(yàn)演示，從而驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，相關(guān)成像演示如圖4所示。此外，研究人員還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)證明其解碼隱藏信息的能力，如圖5所示。

圖4 近紅外多光譜成像實(shí)驗(yàn)

圖5 近紅外多光譜成像解碼隱藏信息實(shí)驗(yàn)

研究人員認(rèn)為這項(xiàng)研究將深度學(xué)習(xí)與新型納米光子器件相結(jié)合，為多波長(zhǎng)紅外成像領(lǐng)域帶來了新的可能性，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。研究人員期待進(jìn)一步優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)，將其擴(kuò)展到更寬的波長(zhǎng)范圍，并將其集成到更緊湊、便攜的設(shè)備中，以適應(yīng)各種實(shí)時(shí)成像需求。

審核編輯：劉清