Ultraflad optik til bredbånds termisk billeddannelse

Langbølgelængde infrarød (LWIR) billeddannelse har kritisk betydning på tværs af mange applikationer, fra forbrugerelektronik til forsvar og national sikkerhed. Den finder anvendelser inden for nattesyn, fjernmåling og langdistancebilleddannelse. Imidlertid er de konventionelle refraktive linser, der anvendes i disse billeddannelsessystemer, omfangsrige og tunge, hvilket er uønsket til næsten alle anvendelser. Til dette problem er det faktum, at mange LWIR refraktive linser er fremstillet af dyre materialer med begrænset udbud, såsom germanium.

Den næste generation af optiske systemer kræver objektiver, der ikke kun er lettere og tyndere end nogensinde før, men som også opretholder en kompromisløs billedkvalitet. Denne efterspørgsel har givet næring til en bølge af bestræbelser på at udvikle ultratynd sub-bølgelængde diffraktiv optik, kendt som meta-optik.

Meta-optik, i deres enkleste form, består af arrays af sub-bølgelængdeskala nanopillarer på en flad overflade, hvor hver søjle introducerer et lokalt faseskift til lys, der passerer igennem. Ved at arrangere disse søjler strategisk kan lyset styres til at producere styring og linse. Mens konventionelle refraktive linser er tæt på en centimeter tykke, er meta-optikken omkring 500 mikron tyk, hvilket dramatisk reducerer optikkens samlede tykkelse.

En udfordring med meta-optik er dog stærke kromatiske aberrationer. Det vil sige, at lys af forskellige bølgelængder interagerer med strukturen på forskellige måder, og resultatet er typisk en linse, der ikke samtidigt kan fokusere lys af forskellige bølgelængder i samme brændplan. Hovedsageligt på grund af dette problem har meta-optik endnu ikke fuldt ud erstattet deres refraktive modstykker på trods af fordelene i størrelse og vægtreduktion.

Især området med LWIR meta-optik er relativt uudforsket sammenlignet med synlig bølgelængde meta-optik, og de potentielle fordele ved meta-optik i forhold til konventionelle refraktive linser er betydelige i betragtning af de unikke og omfattende anvendelser af dette bølgelængdeområde.

Nu i et nyt papir offentliggjort i Nature Communications , et multi-institutionelt team af forskere, ledet af Arka Majumdar, en lektor ved University of Washington Department of Electrical &Computer Engineering (UW ECE) og fysikafdelingen, har introduceret en ny designramme kaldet "MTF-engineering."

Modulationsoverførselsfunktionen, eller MTF, beskriver, hvor godt et objektiv opretholder billedkontrasten som en funktion af rumlig frekvens. Denne ramme adresserer udfordringerne forbundet med bredbåndsmeta-optik for at designe og eksperimentelt demonstrere termisk billeddannelse med meta-optik i laboratorie- og virkelige omgivelser. Holdet byggede på allerede vellykkede omvendte designteknikker ved at udvikle en ramme, der optimerer både søjleformen og det globale arrangement samtidigt.

Udnyttelse af kunstig intelligens og en ny omvendt designramme

En nøgleinnovation i forskerholdets tilgang er brugen af ​​kunstig intelligens - en model med dybt neuralt netværk (DNN) - til at kortlægge mellem søjleform og fase. I en omvendt designproces for storarealoptik er det ikke beregningsmæssigt muligt at simulere, hvordan lyset interagerer med hver søjle ved hver iteration.

For at løse dette problem simulerede forfatterne et stort bibliotek af nanopillarer (også kaldet "meta-atomer") og brugte de simulerede data til at træne en DNN. DNN muliggjorde en hurtig kortlægning mellem scatterer og fase i optimeringssløjfen, hvilket muliggjorde det omvendte design af optik med stort område indeholdende millioner af søjler i mikronskala.

En anden nøgleinnovation i dette arbejde er figuren af ​​fortjeneste (FoM), hvilket fører til, at rammen bliver betegnet "MTF-engineering". I omvendt design definerer man en FoM og optimerer beregningsmæssigt strukturen eller arrangementet for at maksimere FoM. Det er dog ofte ikke intuitivt, hvorfor det producerede resultat er optimalt. Til dette arbejde udnyttede forfatterne deres ekspertise inden for meta-optik til at definere en FoM, der er intuitiv.

Majumdar forklarede:"Fortjenesten er relateret til arealet under MTF-kurven. Ideen her er at sende så meget information som muligt gennem linsen, som er fanget i MTF'en. Derefter kombineret med en let beregningsmæssig backend, vi kan opnå et billede af høj kvalitet. Merittallet afspejler, hvad vi intuitivt ved om optik. Denne særlige FoM er optimeret, når alle bølgelængder fungerer lige godt, hvilket begrænser vores optik til at have ensartet ydeevne over de angivne bølgelængder uden eksplicit at definere ensartethed som. et optimeringskriterium."

Denne tilgang, der kombinerer intuition fra meta-optik og en let beregningsbaseret backend, forbedrer ydeevnen markant sammenlignet med simple metalenses.

Forfatterne fremstillede deres designede optik fra en enkelt siliciumwafer, hvilket er lovende for fremtidige applikationer, der involverer germaniumfrie LWIR-billeddannelsessystemer. Selvom vi anerkender, at der stadig er plads til forbedringer for at opnå billedkvalitet, der kan sammenlignes med kommercielle refraktive linsesystemer, repræsenterer dette arbejde et væsentligt skridt hen imod dette mål.

Forskerne har generøst gjort deres MTF-engineering-ramme, kaldet "metabox", tilgængelig online via GitHub, og inviterede andre til at bruge den til at designe deres egen meta-optik. Forskerholdet udtrykte begejstring over de potentielle værker, der kan opstå ved brugen af ​​metaboks i det bredere videnskabelige samfund.

UW ECE-tilknyttede teammedlemmer omfattede nylige alumner Luocheng Huang (avisens hovedforfatter) og Zheyi Han, postdoktorale forskere Saswata Mukherjee, Johannes Fröch og Quentin Tanguy samt UW ECE professor Karl Böhringer, som er direktør for Institute for Nano -Konstruerede systemer ved UW.

Flere oplysninger: Luocheng Huang et al., Bredbånds termisk billeddannelse ved hjælp af meta-optik, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45904-w

Leveret af University of Washington - Department of Electrical &Computer Engineering