激光网3月19日消息，研究团队使用新的逆向设计框架，展示了从消费电子产品到热传感和夜视等应用的超光学宽带热成像。
新框架被称为“调制传递函数”工程，解决了与宽带元光学相关的挑战，它决定了镜头保持图像对比度与空间频率的函数关系。
华盛顿大学团队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。
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，而超光学元件的厚度约为 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，与可见光波长的超光学相比，长波红外超光学的领域相对未被开发，鉴于该波长范围的独特和广泛应用，超光学相对于传统屈光透镜的潜在优势是显着的。
研究团队方法的一个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。对于大面积光学器件的逆向设计过程，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”。在逆向设计中，定义 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。
领导该项目的Arka Majumdar教授解释说：“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。当所有波长都表现同样出色时，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。
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。
