Ultraflache Optik für breitbandige Wärmebildaufnahmen

Die Bildgebung im langwelligen Infrarot (LWIR) ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, von der Unterhaltungselektronik bis hin zur Verteidigung und nationalen Sicherheit. Es findet Anwendung in der Nachtsicht, der Fernerkundung und der Bildgebung über große Entfernungen. Allerdings sind die in diesen Bildgebungssystemen verwendeten herkömmlichen refraktiven Linsen sperrig und schwer, was für fast alle Anwendungen unerwünscht ist. Erschwerend kommt hinzu, dass viele refraktive LWIR-Linsen aus teuren und begrenzt verfügbaren Materialien wie Germanium hergestellt werden.

Die nächste Generation optischer Systeme erfordert Linsen, die nicht nur leichter und dünner als je zuvor sind, sondern auch eine kompromisslose Bildqualität gewährleisten. Diese Nachfrage hat zu einem Anstieg der Bemühungen zur Entwicklung ultradünner Beugungsoptiken im Subwellenlängenbereich geführt, die als Metaoptiken bekannt sind.

Metaoptiken bestehen in ihrer einfachsten Form aus Anordnungen von Nanosäulen im Subwellenlängenmaßstab auf einer flachen Oberfläche, wobei jede Säule dem durchtretenden Licht eine lokale Phasenverschiebung verleiht. Durch die strategische Anordnung dieser Säulen kann das Licht gesteuert werden, um eine Lenkung und Linsenwirkung zu erzeugen. Während herkömmliche refraktive Linsen nahezu einen Zentimeter dick sind, sind Metaoptiken etwa 500 Mikrometer dick, was die Gesamtdicke der Optik drastisch reduziert.

Eine Herausforderung bei Metaoptiken sind jedoch starke chromatische Aberrationen. Das heißt, Licht unterschiedlicher Wellenlänge interagiert auf unterschiedliche Weise mit der Struktur, und das Ergebnis ist typischerweise eine Linse, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen nicht gleichzeitig in derselben Brennebene fokussieren kann. Vor allem aufgrund dieses Problems haben Metaoptiken ihre refraktiven Gegenstücke trotz der Vorteile hinsichtlich Größen- und Gewichtsreduzierung noch nicht vollständig ersetzt.

Insbesondere der Bereich der LWIR-Metaoptik ist im Vergleich zur Metaoptik im sichtbaren Wellenlängenbereich relativ unerforscht, und die potenziellen Vorteile der Metaoptik gegenüber herkömmlichen refraktiven Linsen sind angesichts der einzigartigen und umfangreichen Anwendungen dieses Wellenlängenbereichs erheblich.

Jetzt in ein neues Papier veröffentlicht in Naturkommunikationein multi-institutionelles Forscherteam unter der Leitung von Arka Majumdar, einem außerordentlichen Professor am Department of Electrical & Computer Engineering (UW ECE) und am Fachbereich Physik der University of Washington, hat ein neues Design-Framework namens „MTF-Engineering“ eingeführt.

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) beschreibt, wie gut ein Objektiv den Bildkontrast als Funktion der Ortsfrequenz aufrechterhält. Dieses Rahmenwerk befasst sich mit den Herausforderungen, die mit Breitband-Metaoptiken verbunden sind, um Wärmebildaufnahmen mit Metaoptiken im Labor und unter realen Bedingungen zu entwerfen und experimentell zu demonstrieren. Das Team baute auf bereits erfolgreichen inversen Designtechniken auf und entwickelte ein Rahmenwerk, das sowohl die Säulenform als auch die globale Anordnung gleichzeitig optimiert.

Nutzung künstlicher Intelligenz und eines neuen inversen Design-Frameworks

Eine wichtige Innovation im Ansatz des Forschungsteams ist der Einsatz künstlicher Intelligenz – eines Deep Neural Network (DNN)-Modells – zur Abbildung von Säulenform und -phase. In einem inversen Designprozess für großflächige Optiken ist es rechnerisch nicht möglich, zu simulieren, wie das Licht bei jeder Iteration mit jeder Säule interagiert.

Um dieses Problem zu lösen, simulierten die Autoren eine große Bibliothek von Nanosäulen (auch „Metaatome“ genannt) und nutzten die simulierten Daten, um ein DNN zu trainieren. Das DNN ermöglichte eine schnelle Zuordnung zwischen Streuer und Phase in der Optimierungsschleife und ermöglichte so das inverse Design großflächiger Optiken mit Millionen von Säulen im Mikrometerbereich.

Eine weitere wichtige Neuerung in dieser Arbeit ist der Figure of Merit (FoM), der dazu führt, dass das Framework als „MTF-Engineering“ bezeichnet wird. Beim inversen Design definiert man einen FoM und optimiert rechnerisch die Struktur oder Anordnung, um den FoM zu maximieren. Allerdings ist es oft nicht intuitiv, warum das erzielte Ergebnis optimal ist. Für diese Arbeit nutzten die Autoren ihr Fachwissen in der Metaoptik, um ein intuitives FoM zu definieren.

Majumdar erklärte: „Die Gütezahl bezieht sich auf die Fläche unter der MTF-Kurve. Die Idee hier ist, so viele Informationen wie möglich durch die Linse zu leiten, die im MTF erfasst werden. Dann, kombiniert mit einem leichten Rechen-Backend, haben wir kann ein qualitativ hochwertiges Bild erzielen. Die Gütezahl spiegelt das wider, was wir intuitiv über Optik wissen. Dieser spezielle FoM ist optimiert, wenn alle Wellenlängen gleich gut funktionieren, wodurch unsere Optiken auf eine gleichmäßige Leistung über die angegebenen Wellenlängen beschränkt werden, ohne dass Gleichmäßigkeit explizit als definiert wird ein Optimierungskriterium.“

Dieser Ansatz, der die Intuition der Metaoptik und ein leichtes Rechen-Backend kombiniert, verbessert die Leistung im Vergleich zu einfachen Metalenses erheblich.

Die Autoren stellten ihre entworfene Optik aus einem einzigen Siliziumwafer her, was für zukünftige Anwendungen mit germaniumfreien LWIR-Bildgebungssystemen vielversprechend ist. Obwohl anerkannt wird, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt, um eine Bildqualität zu erreichen, die mit kommerziellen refraktiven Linsensystemen vergleichbar ist, stellt diese Arbeit einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels dar.

Die Forscher haben großzügigerweise ihr MTF-Engineering-Framework mit dem Namen „Metabox“ online verfügbar gemacht über GitHubund lädt andere ein, es für die Gestaltung ihrer eigenen Meta-Optik zu nutzen. Das Forschungsteam äußerte sich begeistert über die potenziellen Arbeiten, die sich aus der Nutzung von Metabox in der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft ergeben könnten.

Zu den mit der UW ECE verbundenen Teammitgliedern gehörten die jüngsten Alumni Luocheng Huang (der Hauptautor des Artikels) und Zheyi Han, die Postdoktoranden Saswata Mukherjee, Johannes Fröch und Quentin Tanguy sowie UW ECE-Professor Karl Böhringer, der Direktor des Instituts für Nano -Technische Systeme an der UW.