大孔徑超表面光學(xué)元件的寬帶成像

逍遙設(shè)計自動化

引言
" j$ h# x! h- j. |3 e2 J0 l! M* x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。本文將介紹一項突破性研究，該研究克服了這些限制，實現(xiàn)了單個大孔徑超表面光學(xué)元件的全彩成像[1]。

大孔徑超表面光學(xué)元件的挑戰(zhàn)
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，特別是對于大孔徑而言。其設(shè)計中固有的相位包裹導(dǎo)致嚴(yán)重的色差，這對于大于幾毫米的孔徑尤其成問題。以前實現(xiàn)寬帶成像的嘗試僅限于小孔徑或低數(shù)值孔徑，限制了其實際應(yīng)用。
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- [2 L; }" q- {, K( B9 ]( m圖1展示了大孔徑全彩超表面光學(xué)元件的設(shè)計和制造過程，包括優(yōu)化過程和與折射透鏡的比較。
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通過創(chuàng)新設(shè)計克服限制
研究人員通過開發(fā)兩步優(yōu)化過程來解決這一挑戰(zhàn)。首先，他們創(chuàng)建了一個擴(kuò)展景深（EDOF）設(shè)計，在寬光譜范圍內(nèi)最大化焦點強(qiáng)度。這種方法確�？梢姽庾V內(nèi)的所有波長都聚焦在同一平面上，盡管點擴(kuò)散函數(shù)（PSF）略有擴(kuò)展。

) E* a; y% `; C0 {第二步涉及端到端優(yōu)化，將超表面光學(xué)元件與計算后端共同設(shè)計。這個過程微調(diào)超表面光學(xué)元件的性能，產(chǎn)生適合計算重建的PSF，最終產(chǎn)生高質(zhì)量的全彩圖像。


5 F: y: Q  H" m, y) s( |, H; h圖2：顯示了超表面光學(xué)元件性能的測量，包括PSF比較和對比度值分析。

突破：1厘米孔徑寬帶超表面光學(xué)元件
這種創(chuàng)新方法的結(jié)果是一個偏振不敏感、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，因為實現(xiàn)了與相同規(guī)格的單個折射透鏡相當(dāng)?shù)膶拵С上衲芰Α?br />   R4 U% Y- y8 X; Z0 K- `
! Q8 O1 ]* }. T$ ~" `3 [" s超表面光學(xué)元件的主要特點包括：

在可見光譜范圍內(nèi)（400-700納米）的寬帶性能

視頻速率成像能力

約30°的對角視場

與折射透鏡相比，在較大視場角下性能更佳
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制造和集成
超表面光學(xué)元件使用氮化硅（SiN）在石英平臺上制造。該過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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' l# c" T3 X  b7 _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景和視頻幀。
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/ a3 S3 F. p9 [& T% Q% J$ ?性能評估
; h! N: @+ }% K為評估超表面光學(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。他們測量了各種波長和入射角的點擴(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。

結(jié)果顯示，寬帶超表面光學(xué)元件實現(xiàn)：

計算重建后，在0-70線對/毫米范圍內(nèi)平均MTF對比度約50%

在小視場角下與折射透鏡性能相當(dāng)

在10°及以上視場角下性能優(yōu)于折射透鏡

實際成像能力
+ m% ]6 ~! B0 Z& q4 V6 u- b研究人員通過各種成像場景展示了超表面光學(xué)元件的實際性能：
使用OLED屏幕的受控環(huán)境成像
7 d0 q' U0 T3 a9 S- ]+ z彩色場景的環(huán)境光成像
運動物體的視頻速率捕捉
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這些測試證實了超表面光學(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)元件通過不同重建方法拍攝的圖像。

  ?' m4 i6 l, p2 ~4 d) ]通過計算后端提高圖像質(zhì)量
" o& N' B# X4 j- c' t/ m盡管單獨的超表面光學(xué)元件就能產(chǎn)生令人印象深刻的結(jié)果，研究人員通過實施先進(jìn)的計算后端進(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)計了一個基于概率擴(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圖像捕獲系統(tǒng)來訓(xùn)練和評估學(xué)習(xí)重建方法。這種設(shè)置確保算法可以在任意場景上進(jìn)行訓(xùn)練，使其在實際應(yīng)用中更加穩(wěn)健。

影響和未來方向
大孔徑超表面光學(xué)元件的這一突破對各個領(lǐng)域有重大影響：

消費電子：超薄設(shè)計可以消除智能手機(jī)的相機(jī)凸起，實現(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：輕量級光學(xué)系統(tǒng)可以減少無人機(jī)和衛(wèi)星的能耗。

增強(qiáng)現(xiàn)實：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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未來研究方向可能包括：
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擴(kuò)展到更大孔徑

將光譜范圍擴(kuò)展到近紅外和紫外線

納入額外功能，如深度感測或偏振成像

進(jìn)一步優(yōu)化計算后端，以便在移動設(shè)備上實時處理

結(jié)論
本文探討了超表面光學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，挑戰(zhàn)了長期以來認(rèn)為大孔徑超表面光學(xué)元件無法實現(xiàn)寬帶成像的觀點。通過結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)、納米制造和計算成像，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)開辟了新的機(jī)遇，為下一代成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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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