用于寬帶長(zhǎng)波紅外（LWIR）熱成像的超構(gòu)光學(xué)元件

從消費(fèi)電子產(chǎn)品到國防和國家安全，長(zhǎng)波紅外（LWIR）成像在許多應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義，例如夜視、遙感和遠(yuǎn)距離成像等。然而，這些成像系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)折射透鏡體積龐大、笨重，幾乎對(duì)于所有應(yīng)用都不夠理想。不僅如此，許多長(zhǎng)波紅外折射透鏡都需要昂貴且供應(yīng)受限的材料（例如鍺）。

下一代光學(xué)系統(tǒng)要求透鏡不僅要比以往更輕、更薄，而且還要保證毫不妥協(xié)的成像品質(zhì)。這一需求推動(dòng)了超薄超構(gòu)光學(xué)元件（meta-optics）的開發(fā)熱潮。

最簡(jiǎn)單的超構(gòu)光學(xué)元件可由平坦表面上的亞波長(zhǎng)納米柱陣列組成，每個(gè)納米柱都會(huì)對(duì)通過的光子引入局部相移。通過策略性地排列這些納米柱，可以控制光線產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和透鏡效果。傳統(tǒng)厚度接近1厘米的折射透鏡，對(duì)應(yīng)的超構(gòu)光學(xué)元件的厚度可以做到約500微米，這大大降低了光學(xué)元件的整體厚度。

然而，超構(gòu)光學(xué)技術(shù)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是強(qiáng)烈的色差。也就是說，不同波長(zhǎng)的光會(huì)以不同的方式與透鏡結(jié)構(gòu)相互作用，其結(jié)果通常是超構(gòu)透鏡無法同時(shí)將不同波長(zhǎng)的光聚焦在同一焦平面上。由于這個(gè)問題，盡管超構(gòu)光學(xué)透鏡在縮小尺寸和減輕重量方面具有優(yōu)勢(shì)，但尚無法完全取代傳統(tǒng)折射透鏡。

尤其，與可見光超構(gòu)光學(xué)元件相比，長(zhǎng)波紅外超構(gòu)光學(xué)領(lǐng)域仍有待探索，鑒于該波段獨(dú)特而廣泛的應(yīng)用，超構(gòu)光學(xué)元件相對(duì)傳統(tǒng)折射透鏡的潛在優(yōu)勢(shì)非常顯著。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，由華盛頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系（UW ECE）領(lǐng)導(dǎo)的一支多機(jī)構(gòu)研究小組利用新的逆向設(shè)計(jì)框架（MTF-engineering），展示了一種采用超構(gòu)光學(xué)元件的寬帶熱成像技術(shù)，適用于消費(fèi)電子、熱傳感和夜視等廣泛的應(yīng)用。該研究成果已經(jīng)以“Broadband thermal imaging using meta-optics”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）代表輸出圖像對(duì)比度與輸入圖像對(duì)比度之比，描述了透鏡在保持圖像對(duì)比度時(shí)與空間頻率的函數(shù)關(guān)系。MTF-engineering框架解決了與寬帶超構(gòu)光學(xué)相關(guān)的挑戰(zhàn)，以在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際環(huán)境中設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)演示超構(gòu)光學(xué)熱成像。該研究小組成功基于逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)了一種同時(shí)優(yōu)化超構(gòu)光學(xué)元件納米柱形狀及全局排列的框架。

利用人工智能和新的逆向設(shè)計(jì)框架

該研究小組的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新在于利用人工智能（AI）技術(shù)，即一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）模型，以映射納米柱形狀和相位。在大面積光學(xué)元件逆向設(shè)計(jì)過程中，無法在計(jì)算上模擬每次迭代中光與每個(gè)納米柱的相互作用。

為了解決這個(gè)問題，研究人員模擬了一個(gè)大型納米柱（也稱為“超構(gòu)原子”）庫，并利用模擬數(shù)據(jù)來訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠在優(yōu)化循環(huán)中快速映射散射體和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積超構(gòu)光學(xué)元件（包含數(shù)百萬納米柱）的逆向設(shè)計(jì)。

上圖為包含超構(gòu)光學(xué)元件的晶圓；下圖為所開發(fā)超構(gòu)光學(xué)元件的掃描電子顯微鏡圖像，其中包含復(fù)雜光散射體（左）和簡(jiǎn)單散射體（右）。

這項(xiàng)成果的另一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)（FoM）。在逆向設(shè)計(jì)中，研究人員會(huì)定義一個(gè)品質(zhì)因數(shù)，并通過計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)或排列，使品質(zhì)因數(shù)最大化。然而，所產(chǎn)生的結(jié)果為何是最優(yōu)的往往并不直觀。在這項(xiàng)工作中，研究人員利用他們?cè)诔瑯?gòu)光學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，定義了一個(gè)直觀的品質(zhì)因數(shù)。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的UW ECE副教授Arka Majumdar解釋說：“品質(zhì)因數(shù)與MTF曲線下的面積有關(guān)。我們的想法是通過透鏡傳遞盡可能多的信息，并在MTF中捕捉到這些信息。然后，結(jié)合輕型計(jì)算后端，我們就能獲得高質(zhì)量的圖像。品質(zhì)因數(shù)反映了我們對(duì)光學(xué)元件的直觀認(rèn)識(shí)。當(dāng)所有波長(zhǎng)的表現(xiàn)都一樣好時(shí)，這個(gè)特定的品質(zhì)因數(shù)就得到了優(yōu)化，從而使我們的光學(xué)元件在給定波長(zhǎng)具有均勻的性能，而無需將均勻性明確定義為一個(gè)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

利用折射近紅外透鏡（左）、雙曲面超構(gòu)透鏡（中）和帶有復(fù)雜散射體的MTF工程設(shè)計(jì)超構(gòu)光學(xué)透鏡（右）的成像對(duì)比。場(chǎng)景b和c為晴天室外拍攝，場(chǎng)景d為室內(nèi)拍攝。

這種方法結(jié)合了超構(gòu)光學(xué)和輕型計(jì)算后端的直觀優(yōu)勢(shì)，與簡(jiǎn)單超構(gòu)透鏡相比顯著提高了性能。

研究人員利用單片硅晶圓制造出了他們?cè)O(shè)計(jì)的超構(gòu)光學(xué)元件，這對(duì)于未來的無鍺長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)極具吸引力。盡管要實(shí)現(xiàn)與商用折射透鏡系統(tǒng)相媲美的成像質(zhì)量仍有一定的改進(jìn)空間，但這項(xiàng)成果代表了向該目標(biāo)邁出的重要一步。

審核編輯：劉清