從消費(fèi)電子產(chǎn)品到國(guó)防和國(guó)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(kāi)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(guò)的光子引入局部相移。通過(guò)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(shuō),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(wú)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(wèn)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(wú)法完全取代傳統(tǒng)折射透鏡。
尤其,與可見(jiàn)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(kāi)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(guò)程中,無(wú)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(wèn)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(kù),并利用模擬數(shù)據(jù)來(lái)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(wàn)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(kāi)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(guò)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(shuō):“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(guò)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(wú)需將均勻性明確定義為一個(gè)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。”
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(lái)的無(wú)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
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原文標(biāo)題:用于寬帶長(zhǎng)波紅外(LWIR)熱成像的超構(gòu)光學(xué)元件
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