超光学元件

长波红外（LWIR）成像在许多运用中具有主要意义，从消费电子产品到国防和国家安全。
它运用于夜视、遥感和远程成像。
然而，这些成像系统中利用的传统折射透镜体历年夜、重量重，险些不适宜所有运用。
更繁芜的问题是，许多LWIR折射透镜是由昂贵且供应有限的材料（如锗）制成的。

下一代光学系统哀求透镜不仅比以往任何时候都更轻、更薄，而且要保持欠妥协的图像质量。
这一需求匆匆使人们大力开拓超薄亚波长衍射光学元件，即超光学元件。

超光学元件，最大略的形式，是由一个平面上亚波长尺度纳米柱阵列组成，每个柱子对穿过它的光引入局部相移。
通过分外排列这些柱子，可以掌握光产生转向和透镜。
虽然传统折射透镜靠近一厘米厚，超光学大约500微米厚，这大大降落了光学元件的整体厚度。

超薄超光学元器件有可能使成像系统比以往任何时候都更轻、更薄。

然而，超光学的一个寻衅是强烈的色差。
也便是说，不同波长的光以不同的办法与构造相互浸染，结果常日是一个透镜，它不能同时将不同波长的光聚焦在同一个焦平面上。
很大程度上是由于这个问题，超光学元件尚未完备取代其折射对应物，只管在尺寸和重量减轻方面有好处。

特殊是，与可见波长超材料光学比较，长波红外超材料光学领域相对未被开拓，并且鉴于该波长范围的独特和广泛的运用，超材料光学相对付传统折射透镜的潜在上风是显著的。

现在，在《自然通讯》上揭橥的一篇新论文中，由华盛顿大学电气与打算机工程系(UW ECE)和物理系副教授Arka Majumdar领导的一个多机构研究小组引入了一种名为“MTF工程”的新设计框架。

调制通报函数或MTF描述了透镜如何根据空间频率保持图像比拟度。
该框架办理了与宽带超光学干系的寻衅，以设计和实验性地演示在实验室和现实环境中利用超光学进行热成像。
该团队基于已经成功的逆向设计技能，开拓了一个同时优化支柱形状和全局布局的框架。

利用人工智能和新逆向设计框架

研究团队方法的一个关键创新是利用人工智能——一种深度神经网络（DNN）模型——在支柱形状和相位之间进行映射。
在大面积光学器件的反向设计过程中，仿照光如何在每次迭代中与每个支柱相互浸染在打算上是不可行的。

为理解决这个问题，作者仿照了一个大型纳米柱库（也称为“元原子”），并利用仿照数据演习DNN。
DNN能够在优化循环中实现散射体和相位之间的快速映射，从而许可对包含数百万微米级柱的大面积光学器件进行逆向设计。

这项事情的另一个关键创新是品质因数（FoM），导致该框架被称为“MTF工程”。
在逆向设计中，人们定义了一个FoM，并通过打算优化构造或排列，以最大化FoM。
然而，为什么产生的结果是最佳的，这常日并不直不雅观。
在这项事情中，作者利用他们在超光学方面的专业知识定义了一个直不雅观的FoM。

Majumdar阐明说：“品质因数与MTF曲线下的面积有关。
这里的想法是通过镜头通报尽可能多的信息，这些信息被捕获在MTF中。
然后，结合轻型打算后端，我们可以实现高质量的图像。
品质因数反响了我们对光学系统的直不雅观认识。
当所有波长都表现良好时，这个特定的FoM得到了优化，从而限定了我们的光学系统在指定波长上具有统一的性能，而没有明确地将均匀性定义为优化标准。
”

这种方法结合了超光学和轻打算后真个直觉，与大略的超透镜比较，显著提高了性能。

作者用一块硅片制造了他们设计的光学元件，这对未来无锗长波红外成像系统的运用很有前景。
虽然承认在实现与商用折射透镜系统相称的成像质量方面仍有改进的空间，但这项事情是朝着这一目标迈出的主要一步。

研究职员年夜方地通过GitHub在线发布了他们的MTF工程框架，名为“metabox”，约请其他人利用它来设计自己的超光学元件。
研究团队对在更广泛的科学界利用metabox可能涌现的潜在事情表示愉快。

华盛顿大学电子与打算机工程系附属团队成员包括最近的校友Luocheng Huang（论文的第一作者）和Zheyi Han，博士后研究职员Saswata Mukherjee、Johannes Froch和Quentin Tanguy，以及华盛顿大学电子与打算机工程系教授Karl Bohringer，他是华盛顿大学纳米工程系统研究所的所长。