新研究利用元光学实现轻薄长波红外成像器件

在成像技术领域，长波红外（ long-wave infrared，LWIR）成像因其能够揭开热世界的无形面纱进行窥视而脱颖而出，根据热排放，可以瞥见物体和环境中可见光看不见的情况。传统上，这个领域一直使用由锗等材料制成的笨重透镜完成工作，对广泛领域的便携性和适用性构成了限制。然而，由美国华盛顿大学电气与计算机工程系（UW ECE）领导的一项开创性研究将改变LWIR成像技术的格局。

这项研究最近发表在《自然通信》，论文中介绍了一个被称为“MTF工程”的创新设计框架。这种 方法旨在通过开发超薄的元光学系统来彻底改变LWIR光学，该系统不仅大幅减少这些镜头的尺寸和重量，而且保持拍摄图像的质量。

用元光学打破模式

元光学（Meta-optics），就是在平面上以亚波长尺度设计的纳米柱阵列，代表了光学设计的下一个前沿。这些纳米柱操纵光线以达到所需的成像效果，有可能减少长期以来一直是LWIR成像系统中核心器件的笨重折射透镜。研究团队的工作利用人工智能的力量和新颖的逆向设计框架来优化这些纳米柱的形状和排列，标志着与传统光学的重大不同。

这种由硅制成的新型LWIR元光学与传统镜片形成鲜明对比。在传统光学可能依赖于昂贵而且稀缺的材料的情况中，硅提供了一个更容易获得和同样有效的替代方案。但完善这些超薄透镜的旅程并非没有挑战，其中主要是色差问题——由于不同波长的光不在同一点收敛而发生失真。

通过创新克服障碍

开发有效的LWIR元光学的主要障碍是与衍射光学相关的强烈色差。传统镜头可以将不同波长的光聚焦到同一平面上，这是元光学因其固有设计而难以实现的壮举。研究团队的突破在于他们独特地应用了深度神经网络（DNN）模型来优化元光学设计，正面解决了色差问题。

通过采用多尺度优化技术，在调制传递函数（ modulation transfer function，MTF）表面下最大化波长平均量（ wavelength-averaged volume），该团队有效地设计了一个能够进行宽带LWIR成像的元光学系统。该系统不仅提高了热图像的质量，而且外形尺寸比任何现有技术都更薄、更轻。

LWIR成像的新黎明

这项研究的影响是广泛而多样的。首先，以更紧凑、更轻巧的外形尺寸产生高质量LWIR成像的能力为一系列应用开辟了新的可能性。从对便携式和高效夜视设备至关重要的国防和安全，到消费电子和汽车安全，集成到日常设备和系统的潜力是巨大的。

此外，该团队的方法巧妙地将元光学的洞察力与人工智能的力量相结合，为光学设计设定了新标准。它不仅承诺为该领域的进一步创新铺平道路，而且还使高质量成像技术更加普及，从稀有和昂贵的材料转向硅等更丰富的替代品。

展望未来

随着研究团队在网上提供被称为“元盒（metabox）”的设计框架，其他科学家和工程师可以在这项突破性工作的基础上再接再厉。这个研究的协作成果暗示了未来，光学系统的开发不是孤立的，而是共享的，加速了该领域的进展。