突破大孔径宽带超构光学器件的光谱带宽限制
2025-04-04 15:03:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员克服了固有的光谱带宽限制，通过结合计算重建共同设计平面超构光学（meta-optic）器件成功实现了可见光波段的宽带成像。
平面光学器件因其能够替代或增强折射光学器件，被认为是实现新型成像和传感技术的一种极具吸引力的方法。然而，色差问题对衍射平面光学器件构成了根本性限制。因此，迄今为止，真正的宽带高质量成像对于小f数、大孔径平面光学器件来说还难以实现。
据麦姆斯咨询报道，近日，由美国华盛顿大学（University of Washington）、北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）、普林斯顿大学（Princeton University）和Tunoptix公司组成的研究团队克服了固有的光谱带宽限制，通过结合计算重建共同设计平面超构光学（meta-optic）器件成功实现了可见光波段的宽带成像。研究人员推导了宽带、1厘米孔径、f/2平面光学器件的必要条件，该器件对角线视场角为30°，在可见光波段的空间频率为100 lp/mm时，平均系统MTF对比度为20%或更大（空间分辨率小于70 lp/mm时大于30%）。最后，研究人员使用同轴双孔径系统，并通过基于成对采集成像数据的学习重建方法来训练宽带成像超构光学器件。这项研究从根本上挑战了“单个大孔径超构光学无法实现高质量全彩图像捕获”的固有观念。这项研究以“Beating spectral bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics”为题发表在Naturenature Communications期刊上。
复杂的超构光学器件通常需要全波模拟形式来精准捕捉其衍射特性并考虑亚波长特征尺度。为克服这一挑战，在假设径向对称的相位分布和传播条件情况下，研究人员采用连续两步优化了大孔径宽带超构光学器件，从而将设计参数降低至约10⁴。图1展示了大孔径全彩超构光学器件的设计与制造。研究人员使用3D打印孔径将该平面纳米光学器件直接集成到商用相机上（如图1e）。
图1 大孔径全彩超构光学器件的设计与制造
为了验证该超构光学器件的宽带性能，研究人员将所有超构光学器件与等效折射透镜进行了基准比较。研究人员直接在传感器上测量了宽光谱范围内窄线宽的点扩散函数（PSF），并测量了以5°为步长从0°到15°的不同入射角（aoi）的情况。图2展示了超构光学器件的性能测量结果。
图2 超构光学器件的性能测量
研究人员通过开发的超构光学器件优化流程，获得了良好平衡的PSF（以及MTF），确保在整个光谱范围内具有一致的性能。为了演示这些指标如何转化为宽带成像，研究人员在OLED屏幕上投影了一系列全彩场景，并使用相应的光学器件进行捕获。图3分别展示了投影的标准图像（图3a）、折射透镜（图3b）、双曲面（图3c）以及宽带端到端超构光学器件（图3d）重建后的图像对比。针对消费类应用场景，研究人员进一步展示了宽带成像在真实场景中的能力（如图3h）。
图3 超构光学器件成像及与折射光学器件成像的比较
因此，为了充分发挥计算后端的优势，研究人员采用学习重建方法进一步增强了超构光学器件。为了实现更高级的空间变化的像差校正以及降噪处理效果，研究人员设计了一种基于概率扩散的神经网络。图4展示了具有学习后端的宽带成像成果。结果显示，具有学习后端的宽带超构光学产生的图像几乎与复合透镜相机成像效果相当。
图4 具有学习后端的宽带成像
综上所述，这项研究展示了使用单一、偏振不敏感的、1厘米大孔径、f/2平面超构光学器件实现可见光宽带视频速率成像。通过以端到端设计超构表面，研究人员在考虑了平面衍射光学器件的固有局限性的同时，结合计算重建方法，确保在所提供的限制条件下实现最佳性能。这项研究最终达到了与复合成像器件相当的成像效果，并展示了一种基于概率扩散模型的学习重建方法。总之，这项研究从本质上展示并阐明了如何利用大孔径（1厘米）超平面光学元件实现可见光宽带成像，从而挑战了业界“使用大孔径超构光学器件无法实现宽带成像”的固有观念。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58208-4
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