Длинноволновая инфракрасная визуализация (LWIR) имеет решающее значение во многих приложениях, от бытовой электроники до обороны и национальной безопасности. Он находит применение в ночном видении, дистанционном зондировании и визуализации на большие расстояния. Однако обычные преломляющие линзы, используемые в этих системах формирования изображения, громоздки и тяжелы, что нежелательно практически для всех применений. Эту проблему усугубляет тот факт, что многие преломляющие линзы LWIR изготовлены из дорогих и ограниченных материалов, таких как германий.
Следующее поколение оптических систем требует линз, которые не только легче и тоньше, чем когда-либо прежде, но и обеспечивают бескомпромиссное качество изображения. Этот спрос вызвал волну усилий по разработке ультратонкой субволновой дифракционной оптики, известной как метаоптика.
Метаоптика в своей простейшей форме состоит из массивов субволновых наностолбиков на плоской поверхности, каждый из которых вносит локальный фазовый сдвиг в проходящий свет. Стратегически расположив эти колонны, можно управлять светом, обеспечивая управление и линзирование. В то время как толщина обычных преломляющих линз составляет около сантиметра, толщина метаоптики составляет около 500 микрон, что значительно уменьшает общую толщину оптики.
Однако одной из проблем метаоптики являются сильные хроматические аберрации. То есть свет разных длин волн по-разному взаимодействует со структурой, и в результате обычно получается линза, которая не может одновременно фокусировать свет разных длин волн в одной и той же фокальной плоскости. Во многом из-за этой проблемы метаоптика еще не полностью заменила свои рефракционные аналоги, несмотря на преимущества в уменьшении размера и веса.
В частности, область метаоптики LWIR относительно неисследована по сравнению с метаоптикой видимого диапазона волн, а потенциальные преимущества метаоптики перед обычными преломляющими линзами значительны, учитывая уникальные и обширные применения этого диапазона длин волн.
Теперь в новой статье , опубликованной в журнале Nature Communications, многоинституциональная группа исследователей под руководством Арки Маджумдар, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Вашингтонского университета (UW ECE) и физического факультета, представила новая концепция проектирования под названием «МТФ-инжиниринг».
Функция передачи модуляции, или MTF, описывает, насколько хорошо объектив поддерживает контрастность изображения в зависимости от пространственной частоты. Эта структура решает проблемы, связанные с широкополосной метаоптикой, для разработки и экспериментальной демонстрации тепловидения с помощью метаоптики в лабораторных и реальных условиях. Команда опиралась на уже успешные методы обратного проектирования, разработав структуру, которая одновременно оптимизирует как форму колонны, так и ее глобальное расположение.
Использование искусственного интеллекта и новой среды обратного проектирования
Одним из ключевых нововведений в подходе исследовательской группы является использование искусственного интеллекта — модели глубокой нейронной сети (DNN) — для сопоставления формы и фазы столба. В обратном процессе проектирования оптики большой площади невозможно с помощью вычислений смоделировать, как свет взаимодействует с каждым столбом на каждой итерации.
Чтобы решить эту проблему, авторы смоделировали большую библиотеку наностолбов (также называемых «метаатомами») и использовали смоделированные данные для обучения DNN. DNN позволила быстро сопоставить рассеиватель и фазу в цикле оптимизации, что позволило инверсно спроектировать оптику большой площади, содержащую миллионы столбиков микронного размера.
Еще одним ключевым нововведением в этой работе является показатель качества (FoM), благодаря которому эта структура получила название «MTF-инжиниринг». При обратном проектировании определяется FoM и вычислительно оптимизируется структура или расположение для максимизации FoM. Однако часто непонятно, почему полученный результат является оптимальным. В этой работе авторы использовали свой опыт в метаоптике, чтобы определить интуитивно понятный FoM.
Маджумдар объяснил: «Показатель качества связан с площадью под кривой MTF. Идея здесь состоит в том, чтобы передать как можно больше информации через линзу, которая захватывается в MTF. Затем, в сочетании с легкой вычислительной базой, мы может достичь высококачественного изображения. Показатель качества отражает то, что мы интуитивно знаем об оптике. Этот конкретный FoM оптимизируется, когда все длины волн работают одинаково хорошо, что ограничивает нашу оптику, чтобы она имела одинаковые характеристики на указанных длинах волн без явного определения однородности как критерий оптимизации».
Этот подход, сочетающий в себе интуицию метаоптики и легкий вычислительный процесс, значительно повышает производительность по сравнению с простыми металинзами.
Авторы изготовили разработанную ими оптику из одной кремниевой пластины, что перспективно для будущих приложений, связанных с системами визуализации LWIR без германия. Признавая, что еще есть возможности для улучшения для достижения качества изображения, сравнимого с коммерческими системами рефракционных линз, эта работа представляет собой значительный шаг на пути к этой цели.
Исследователи великодушно предоставили свою среду проектирования MTF под названием «metabox» доступной онлайн через GitHub, предложив другим использовать ее для разработки собственной метаоптики. Исследовательская группа выразила воодушевление по поводу потенциальных работ, которые могут возникнуть в результате использования метабокса в более широком научном сообществе.
