大孔徑超表面光學(xué)元件的寬帶成像

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
, x' n' I- R; ]0 P* g$ |超表面光學(xué)技術(shù)用超薄、平面的光學(xué)元件取代笨重的折射透鏡。然而，色差一直是實(shí)現(xiàn)大孔徑超表面光學(xué)元件高質(zhì)量寬帶成像的主要障礙。本文將介紹一項(xiàng)突破性研究，該研究克服了這些限制，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)大孔徑超表面光學(xué)元件的全彩成像[1]。
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) M: E' N1 _( w) G6 s1 R% n大孔徑超表面光學(xué)元件的挑戰(zhàn)
! L0 T9 [+ L5 q+ |2 \8 ]傳統(tǒng)的超表面光學(xué)元件在寬帶成像方面面臨根本性的限制，特別是對(duì)于大孔徑而言。其設(shè)計(jì)中固有的相位包裹導(dǎo)致嚴(yán)重的色差，這對(duì)于大于幾毫米的孔徑尤其成問(wèn)題。以前實(shí)現(xiàn)寬帶成像的嘗試僅限于小孔徑或低數(shù)值孔徑，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
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圖1展示了大孔徑全彩超表面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，包括優(yōu)化過(guò)程和與折射透鏡的比較。

' _, T' L! E) |  p& k" A通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)克服限制
- n- M3 s7 o8 K  `! U研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)兩步優(yōu)化過(guò)程來(lái)解決這一挑戰(zhàn)。首先，他們創(chuàng)建了一個(gè)擴(kuò)展景深（EDOF）設(shè)計(jì)，在寬光譜范圍內(nèi)最大化焦點(diǎn)強(qiáng)度。這種方法確保可見(jiàn)光譜內(nèi)的所有波長(zhǎng)都聚焦在同一平面上，盡管點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）略有擴(kuò)展。
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第二步涉及端到端優(yōu)化，將超表面光學(xué)元件與計(jì)算后端共同設(shè)計(jì)。這個(gè)過(guò)程微調(diào)超表面光學(xué)元件的性能，產(chǎn)生適合計(jì)算重建的PSF，最終產(chǎn)生高質(zhì)量的全彩圖像。
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1 R& p) B8 z9 P1 w, e8 q圖2：顯示了超表面光學(xué)元件性能的測(cè)量，包括PSF比較和對(duì)比度值分析。
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* i* o  P9 |2 p; E# u& G8 Q% [突破：1厘米孔徑寬帶超表面光學(xué)元件
5 \$ a0 m7 a( b4 I: w* A這種創(chuàng)新方法的結(jié)果是一個(gè)偏振不敏感、全彩成像的超表面光學(xué)元件，孔徑為1厘米，F(xiàn)數(shù)為2。這代表了超表面光學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了與相同規(guī)格的單個(gè)折射透鏡相當(dāng)?shù)膶拵С上衲芰Α?font class="jammer">7 v+ W5 j% P' s6 p

超表面光學(xué)元件的主要特點(diǎn)包括：

在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)（400-700納米）的寬帶性能

視頻速率成像能力

約30°的對(duì)角視場(chǎng)

與折射透鏡相比，在較大視場(chǎng)角下性能更佳

制造和集成
( ?6 {5 M6 y$ ~  l& E5 j2 W超表面光學(xué)元件使用氮化硅（SiN）在石英平臺(tái)上制造。該過(guò)程涉及電子束光刻進(jìn)行圖案化，隨后進(jìn)行刻蝕并集成到3D打印的支架中。這種制造方法能精確控制構(gòu)成超表面光學(xué)元件的納米散射體，確保最佳性能。
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! j* t9 ]; a3 D圖3展示了超表面光學(xué)成像與折射光學(xué)的比較，展示了各種捕獲的場(chǎng)景和視頻幀。
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性能評(píng)估
為評(píng)估超表面光學(xué)元件的性能，研究人員進(jìn)行了與相同規(guī)格折射透鏡的廣泛比較。他們測(cè)量了各種波長(zhǎng)和入射角的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF），以及調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）以量化圖像質(zhì)量。

- n& T7 T" z2 |3 w+ K9 k結(jié)果顯示，寬帶超表面光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)：

計(jì)算重建后，在0-70線(xiàn)對(duì)/毫米范圍內(nèi)平均MTF對(duì)比度約50%

在小視場(chǎng)角下與折射透鏡性能相當(dāng)

在10°及以上視場(chǎng)角下性能優(yōu)于折射透鏡

, O9 U4 Z' ?: o9 L/ U6 A& B實(shí)際成像能力
+ j7 g# Y9 r$ L9 ?/ F研究人員通過(guò)各種成像場(chǎng)景展示了超表面光學(xué)元件的實(shí)際性能：
使用OLED屏幕的受控環(huán)境成像
: ?% ]% Q3 Z% e; C) ^彩色場(chǎng)景的環(huán)境光成像
運(yùn)動(dòng)物體的視頻速率捕捉

, e) G9 ~  l! A! P$ H, V這些測(cè)試證實(shí)了超表面光學(xué)元件在具有挑戰(zhàn)性的光照條件下和快速移動(dòng)主體的全彩圖像高保真捕捉能力。
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圖4：展示了使用學(xué)習(xí)后端的寬帶成像，比較了使用復(fù)合折射透鏡和超表面光學(xué)元件通過(guò)不同重建方法拍攝的圖像。

$ s! ^# ?" p6 r7 d2 ]4 L% u" _通過(guò)計(jì)算后端提高圖像質(zhì)量
盡管單獨(dú)的超表面光學(xué)元件就能產(chǎn)生令人印象深刻的結(jié)果，研究人員通過(guò)實(shí)施先進(jìn)的計(jì)算后端進(jìn)一步提高了圖像質(zhì)量。他們探索了兩種主要方法：

基于物理的反濾波：該方法使用維納反卷積和去噪，基于超表面光學(xué)元件的已知屬性恢復(fù)圖像細(xì)節(jié)。

學(xué)習(xí)重建：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于概率擴(kuò)散的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于處理空間變化的像差并改善噪聲減少。這種方法顯著提高了圖像質(zhì)量，產(chǎn)生的結(jié)果幾乎與復(fù)合透鏡相機(jī)成像器相媲美。
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研究人員采用了新穎的同軸配對(duì)圖像捕獲系統(tǒng)來(lái)訓(xùn)練和評(píng)估學(xué)習(xí)重建方法。這種設(shè)置確保算法可以在任意場(chǎng)景上進(jìn)行訓(xùn)練，使其在實(shí)際應(yīng)用中更加穩(wěn)健。
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影響和未來(lái)方向
) p- i( U. U0 N8 }: R大孔徑超表面光學(xué)元件的這一突破對(duì)各個(gè)領(lǐng)域有重大影響：

消費(fèi)電子：超薄設(shè)計(jì)可以消除智能手機(jī)的相機(jī)凸起，實(shí)現(xiàn)更薄的筆記本電腦。

醫(yī)學(xué)成像：更小、更高效的內(nèi)窺鏡可以促進(jìn)微創(chuàng)手術(shù)。

航空航天：輕量級(jí)光學(xué)系統(tǒng)可以減少無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星的能耗。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：緊湊、高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)可以提高AR設(shè)備的性能。
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6 I6 K' W6 P6 I" l/ x  n. l  O9 q/ T未來(lái)研究方向可能包括：

擴(kuò)展到更大孔徑

將光譜范圍擴(kuò)展到近紅外和紫外線(xiàn)

納入額外功能，如深度感測(cè)或偏振成像

進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算后端，以便在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)時(shí)處理
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結(jié)論
5 O- ?7 z$ s6 m本文探討了超表面光學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為大孔徑超表面光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬帶成像的觀(guān)點(diǎn)。通過(guò)結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)、納米制造和計(jì)算成像，研究人員創(chuàng)造了能夠進(jìn)行全彩、視頻速率成像的1厘米孔徑超表面光學(xué)元件。這一成就為各種應(yīng)用中的超緊湊、高性能光學(xué)系統(tǒng)開(kāi)辟了新的機(jī)遇，為下一代成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
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參考文獻(xiàn)
[1] J. E. Fr?ch et al., "Beating bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics," arXiv:2402.06824v1 [physics.optics], Feb. 2024.

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