寬帶熱成像中超平面光學元件的應用研究

長波紅外（LWIR）成像在許多應用中具有重要意義，從消費電子產品到國防和國家安全。它應用于夜視、遙感和遠程成像。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，幾乎不適合所有應用。更復雜的問題是，許多LWIR折射透鏡是由昂貴且供應有限的材料（如鍺）制成的。 下一代光學系統(tǒng)要求透鏡不僅比以往任何時候都更輕、更薄，而且要保持不妥協(xié)的圖像質量。這一需求促使人們大力開發(fā)超薄亞波長衍射光學元件，即超光學元件。

超光學元件，最簡單的形式，是由一個平面上亞波長尺度納米柱陣列組成，每個柱子對穿過它的光引入局部相移。通過特殊排列這些柱子，可以控制光產生轉向和透鏡。雖然傳統(tǒng)折射透鏡接近一厘米厚，超光學大約500微米厚，這大大降低了光學元件的整體厚度。 然而，超光學的一個挑戰(zhàn)是強烈的色差。也就是說，不同波長的光以不同的方式與結構相互作用，結果通常是一個透鏡，它不能同時將不同波長的光聚焦在同一個焦平面上。

很大程度上是由于這個問題，超光學元件尚未完全取代其折射對應物，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相比，長波紅外超材料光學領域相對未被開發(fā)，并且鑒于該波長范圍的獨特和廣泛的應用，超材料光學相對于傳統(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，由華盛頓大學電氣與計算機工程系(UW ECE)和物理系副教授Arka Majumdar領導的一個多機構研究小組引入了一種名為“MTF工程”的新設計框架。 調制傳遞函數(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相關的挑戰(zhàn)，以設計和實驗性地演示在實驗室和現(xiàn)實環(huán)境中使用超光學進行熱成像。該團隊基于已經(jīng)成功的逆向設計技術，開發(fā)了一個同時優(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計框架

研究團隊方法的一個關鍵創(chuàng)新是使用人工智能——一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）模型——在支柱形狀和相位之間進行映射。在大面積光學器件的反向設計過程中，模擬光如何在每次迭代中與每個支柱相互作用在計算上是不可行的。 為了解決這個問題，作者模擬了一個大型納米柱庫（也稱為“元原子”），并使用模擬數(shù)據(jù)訓練DNN。DNN能夠在優(yōu)化循環(huán)中實現(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器件進行逆向設計。 這項工作的另一個關鍵創(chuàng)新是品質因數(shù)（FoM），導致該框架被稱為“MTF工程”。在逆向設計中，人們定義了一個FoM，并通過計算優(yōu)化結構或排列，以最大化FoM。然而，為什么產生的結果是最佳的，這通常并不直觀。在這項工作中，作者利用他們在超光學方面的專業(yè)知識定義了一個直觀的FoM。

Majumdar解釋說：“品質因數(shù)與MTF曲線下的面積有關。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，結合輕型計算后端，我們可以實現(xiàn)高質量的圖像。品質因數(shù)反映了我們對光學系統(tǒng)的直觀認識。當所有波長都表現(xiàn)良好時，這個特定的FoM得到了優(yōu)化，從而限制了我們的光學系統(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)化標準?！?/p>

這種方法結合了超光學和輕計算后端的直覺，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計的光學元件，這對未來無鍺長波紅外成像系統(tǒng)的應用很有前景。雖然承認在實現(xiàn)與商用折射透鏡系統(tǒng)相當?shù)某上褓|量方面仍有改進的空間，但這項工作是朝著這一目標邁出的重要一步。 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計自己的超光學元件。研究團隊對在更廣泛的科學界利用metabox可能出現(xiàn)的潛在工作表示興奮。 華盛頓大學電子與計算機工程系附屬團隊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，以及華盛頓大學電子與計算機工程系教授Karl Bohringer，他是華盛頓大學納米工程系統(tǒng)研究所的所長。

審核編輯：黃飛