從消費電子產品到國防和國家安全，長波紅外（LWIR）成像在許多應用領域都具有重要意義，例如夜視、遙感和遠距離成像等。然而，這些成像系統中使用的傳統折射透鏡體積龐大、笨重，幾乎對于所有應用都不夠理想。不僅如此，許多長波紅外折射透鏡都需要昂貴且供應受限的材料（例如鍺）。

下一代光學系統要求透鏡不僅要比以往更輕、更薄，而且還要保證毫不妥協的成像品質。這一需求推動了超薄超構光學元件（meta-optics）的開發熱潮。

最簡單的超構光學元件可由平坦表面上的亞波長納米柱陣列組成，每個納米柱都會對通過的光子引入局部相移。通過策略性地排列這些納米柱，可以控制光線產生轉向和透鏡效果。傳統厚度接近1厘米的折射透鏡，對應的超構光學元件的厚度可以做到約500微米，這大大降低了光學元件的整體厚度。

然而，超構光學技術面臨的一個挑戰是強烈的色差。也就是說，不同波長的光會以不同的方式與透鏡結構相互作用，其結果通常是超構透鏡無法同時將不同波長的光聚焦在同一焦平面上。由于這個問題，盡管超構光學透鏡在縮小尺寸和減輕重量方面具有優勢，但尚無法完全取代傳統折射透鏡。

尤其，與可見光超構光學元件相比，長波紅外超構光學領域仍有待探索，鑒于該波段獨特而廣泛的應用，超構光學元件相對傳統折射透鏡的潛在優勢非常顯著。

據麥姆斯咨詢介紹，由華盛頓大學電子與計算機工程系（UW ECE）領導的一支多機構研究小組利用新的逆向設計框架（MTF-engineering），展示了一種采用超構光學元件的寬帶熱成像技術，適用于消費電子、熱傳感和夜視等廣泛的應用。該研究成果已經以“Broadband thermal imaging using meta-optics”為題發表于Nature Communications期刊。

調制傳遞函數（MTF）代表輸出圖像對比度與輸入圖像對比度之比，描述了透鏡在保持圖像對比度時與空間頻率的函數關系。MTF-engineering框架解決了與寬帶超構光學相關的挑戰，以在實驗室和實際環境中設計并實驗演示超構光學熱成像。該研究小組成功基于逆向設計技術，開發了一種同時優化超構光學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計框架

該研究小組的一項關鍵創新在于利用人工智能（AI）技術，即一種深度神經網絡（DNN）模型，以映射納米柱形狀和相位。在大面積光學元件逆向設計過程中，無法在計算上模擬每次迭代中光與每個納米柱的相互作用。

為了解決這個問題，研究人員模擬了一個大型納米柱（也稱為“超構原子”）庫，并利用模擬數據來訓練深度神經網絡模型。深度神經網絡模型能夠在優化循環中快速映射散射體和相位，從而實現對大面積超構光學元件（包含數百萬納米柱）的逆向設計。

上圖為包含超構光學元件的晶圓；下圖為所開發超構光學元件的掃描電子顯微鏡圖像，其中包含復雜光散射體（左）和簡單散射體（右）。

這項成果的另一個關鍵創新點是品質因數（FoM）。在逆向設計中，研究人員會定義一個品質因數，并通過計算優化結構或排列，使品質因數最大化。然而，所產生的結果為何是最優的往往并不直觀。在這項工作中，研究人員利用他們在超構光學方面的專業知識，定義了一個直觀的品質因數。

領導這項研究的UW ECE副教授Arka Majumdar解釋說：“品質因數與MTF曲線下的面積有關。我們的想法是通過透鏡傳遞盡可能多的信息，并在MTF中捕捉到這些信息。然后，結合輕型計算后端，我們就能獲得高質量的圖像。品質因數反映了我們對光學元件的直觀認識。當所有波長的表現都一樣好時，這個特定的品質因數就得到了優化，從而使我們的光學元件在給定波長具有均勻的性能，而無需將均勻性明確定義為一個優化標準。”

利用折射近紅外透鏡（左）、雙曲面超構透鏡（中）和帶有復雜散射體的MTF工程設計超構光學透鏡（右）的成像對比。場景b和c為晴天室外拍攝，場景d為室內拍攝。

這種方法結合了超構光學和輕型計算后端的直觀優勢，與簡單超構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設計的超構光學元件，這對于未來的無鍺長波紅外成像系統極具吸引力。盡管要實現與商用折射透鏡系統相媲美的成像質量仍有一定的改進空間，但這項成果代表了向該目標邁出的重要一步。

審核編輯：劉清