引言
超表面光学技术用超薄、平面的光学元件取代笨重的折射透镜。然而，色差一直是实现大孔径超表面光学元件高质量宽带成像的主要障碍。本文将介绍一项突破性研究，该研究克服了这些限制，实现了单个大孔径超表面光学元件的全彩成像[1]。
大孔径超表面光学元件的挑战
传统的超表面光学元件在宽带成像方面面临根本性的限制，特别是对于大孔径而言。其设计中固有的相位包裹导致严重的色差，这对于大于几毫米的孔径尤其成问题。以前实现宽带成像的尝试仅限于小孔径或低数值孔径，限制了其实际应用。
图1展示了大孔径全彩超表面光学元件的设计和制造过程，包括优化过程和与折射透镜的比较。
通过创新设计克服限制
研究人员通过开发两步优化过程来解决这一挑战。首先，他们创建了一个扩展景深（EDOF）设计，在宽光谱范围内最大化焦点强度。这种方法确保可见光谱内的所有波长都聚焦在同一平面上，尽管点扩散函数（PSF）略有扩展。
第二步涉及端到端优化，将超表面光学元件与计算后端共同设计。这个过程微调超表面光学元件的性能，产生适合计算重建的PSF，最终产生高质量的全彩图像。
图2：显示了超表面光学元件性能的测量，包括PSF比较和对比度值分析。
突破：1厘米孔径宽带超表面光学元件
这种创新方法的结果是一个偏振不敏感、全彩成像的超表面光学元件，孔径为1厘米，F数为2。这代表了超表面光学技术的重大进步，因为实现了与相同规格的单个折射透镜相当的宽带成像能力。
超表面光学元件的主要特点包括：
在可见光谱范围内（400-700纳米）的宽带性能
视频速率成像能力
约30°的对角视场
与折射透镜相比，在较大视场角下性能更佳
制造和集成
超表面光学元件使用氮化硅（SiN）在石英平台上制造。该过程涉及电子束光刻进行图案化，随后进行刻蚀并集成到3D打印的支架中。这种制造方法能精确控制构成超表面光学元件的纳米散射体，确保最佳性能。
图3展示了超表面光学成像与折射光学的比较，展示了各种捕获的场景和视频帧。
性能评估
为评估超表面光学元件的性能，研究人员进行了与相同规格折射透镜的广泛比较。他们测量了各种波长和入射角的点扩散函数（PSF），以及调制传递函数（MTF）以量化图像质量。
结果显示，宽带超表面光学元件实现：
计算重建后，在0-70线对/毫米范围内平均MTF对比度约50%
在小视场角下与折射透镜性能相当
在10°及以上视场角下性能优于折射透镜
实际成像能力
研究人员通过各种成像场景展示了超表面光学元件的实际性能：
使用OLED屏幕的受控环境成像
彩色场景的环境光成像
运动物体的视频速率捕捉
这些测试证实了超表面光学元件在具有挑战性的光照条件下和快速移动主体的全彩图像高保真捕捉能力。
图4：展示了使用学习后端的宽带成像，比较了使用复合折射透镜和超表面光学元件通过不同重建方法拍摄的图像。
通过计算后端提高图像质量
尽管单独的超表面光学元件就能产生令人印象深刻的结果，研究人员通过实施先进的计算后端进一步提高了图像质量。他们探索了两种主要方法：
基于物理的反滤波：该方法使用维纳反卷积和去噪，基于超表面光学元件的已知属性恢复图像细节。
学习重建：设计了一个基于概率扩散的神经网络，用于处理空间变化的像差并改善噪声减少。这种方法显著提高了图像质量，产生的结果几乎与复合透镜相机成像器相媲美。
研究人员采用了新颖的同轴配对图像捕获系统来训练和评估学习重建方法。这种设置确保算法可以在任意场景上进行训练，使其在实际应用中更加稳健。
影响和未来方向
大孔径超表面光学元件的这一突破对各个领域有重大影响：
消费电子：超薄设计可以消除智能手机的相机凸起，实现更薄的笔记本电脑。
医学成像：更小、更高效的内窥镜可以促进微创手术。
航空航天：轻量级光学系统可以减少无人机和卫星的能耗。
增强现实：紧凑、高质量的光学系统可以提高AR设备的性能。
未来研究方向可能包括：
扩展到更大孔径
将光谱范围扩展到近红外和紫外线
纳入额外功能，如深度感测或偏振成像
进一步优化计算后端，以便在移动设备上实时处理
结论
本文探讨了超表面光学领域的突破性进展，挑战了长期以来认为大孔径超表面光学元件无法实现宽带成像的观点。通过结合创新设计技术、纳米制造和计算成像，研究人员创造了能够进行全彩、视频速率成像的1厘米孔径超表面光学元件。这一成就为各种应用中的超紧凑、高性能光学系统开辟了新的机遇，为下一代成像技术奠定了基础。
参考文献
[1] J. E. Fröch et al., "Beating bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics," arXiv:2402.06824v1 [physics.optics], Feb. 2024.
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