激光网3月16日消息，长波红外成像在从消费电子产品到国防和国家安全的许多应用中都具有至关重要的意义。它在夜视、遥感和远距离成像中得到应用。然而，这些成像系统中使用的传统屈光镜体体积庞大且重量重，这对于几乎所有应用都是不可取的。使这个问题更加复杂的是，许多长波红外屈光镜片都是由昂贵且供应有限的材料制成的，例如锗。
下一代光学系统要求镜头不仅比以往任何时候都更轻、更薄，而且还要保持毫不妥协的图像质量。这种需求推动了开发超薄亚波长衍射光学器件的努力激增。
超光学以其最简单的形式由平面上的亚波长尺度纳米柱阵列组成，每个柱都为通过的光引入局部相移。通过战略性地布置这些支柱，可以控制光线以产生转向和透镜。传统的折射透镜厚度接近一厘米，而超光学器件的厚度约为 500 微米，这大大减少了光学元件的整体厚度。
然而，超光学的一个挑战是强烈的色差。也就是说，不同波长的光以不同的方式与结构相互作用，其结果通常是透镜无法在同一焦平面上同时聚焦不同波长的光。很大程度上由于这个问题，尽管超光学器件在尺寸和重量减小方面具有优势，但尚未完全取代折射光学器件。
特别是，与可见光波长超光学相比，长波红外超光学领域相对未被开发，鉴于该波长范围的独特和广泛应用，超光学相对于传统折射透镜的潜在优势是显着的。
现在，在发表在《自然通讯》上的一篇新论文中，由华盛顿大学电气与计算机工程系和物理系副教授Arka Majumdar领导的多机构研究团队引入了一种名为“MTF工程”的新设计框架。
调制传递函数描述了镜头保持图像对比度与空间频率的函数关系。该框架解决了与宽带超光学相关的挑战，即在实验室和现实世界环境中设计和实验演示超光学热成像。该团队在已经成功的逆向设计技术的基础上，开发了一个同时优化支柱形状和全局排列的框架。
研究团队方法的一项关键创新是使用人工智能来绘制柱子形状和相位之间的地图。在大面积光学器件的逆向设计过程中，在每次迭代中模拟光与每个柱子的相互作用在计算上是不可行的。
为了解决这个问题，作者模拟了一个大型纳米柱库，并使用模拟数据来训练DNN。DNN实现了优化回路中散射体和相位之间的快速映射，从而实现了包含数百万微米级支柱的大面积光学器件的逆向设计。
这项工作的另一个关键创新是品质因数，导致该框架被称为“MTF工程”。在逆向设计中，定义一个 FoM 并通过计算优化结构或排列以最大化 FoM。然而，通常并不直观地解释为什么产生的结果是最佳的。在这项工作中，作者利用他们在超光学方面的专业知识来定义一个直观的FoM。
Majumdar解释说：“品质因数与MTF曲线下的面积有关。这里的想法是尽可能多地通过镜头传递信息，这些信息在MTF中捕获。然后，结合轻量级计算后端，我们可以获得高质量的图像。品质因数反映了我们对光学的直观了解。当所有波长的表现都一样好时，这种特定的FoM就会得到优化，从而限制我们的光学器件在指定的波长上具有均匀的性能，而没有明确地将均匀性定义为优化标准。
这种方法结合了超光学的直觉和轻量级计算后端，与简单的超透镜相比，显著提高了性能。
作者用单个硅晶圆制造了他们设计的光学器件，这对于涉及无锗长波红外成像系统的未来应用很有希望。虽然承认要实现与商用屈光镜片系统相当的成像质量仍有改进的余地，但这项工作代表了朝着该目标迈出的重要一步。
研究人员慷慨地将他们的MTF工程框架，名为“metabox”，通过GitHub在线提供，邀请其他人使用它来设计自己的元光学。研究团队对在更广泛的科学界使用metabox可能产生的潜在工作表示兴奋。
威斯康星大学ECE附属团队成员包括最近的校友Luocheng Huang和Zheyi Han，博士后研究员Saswata Mukherjee，Johannes Fröch和Quentin Tanguy以及UW ECE教授Karl Böhringer，他是威斯康星大学纳米工程系统研究所所长。
