Optique ultra-plate pour l’imagerie thermique à large bande

L’imagerie infrarouge à grande longueur d’onde (LWIR) revêt une importance cruciale dans de nombreuses applications, de l’électronique grand public à la défense et à la sécurité nationale. Il trouve des applications dans la vision nocturne, la télédétection et l’imagerie à longue portée. Cependant, les lentilles réfractives classiques utilisées dans ces systèmes d’imagerie sont volumineuses et lourdes, ce qui n’est pas souhaitable pour presque toutes les applications. Ce problème est aggravé par le fait que de nombreuses lentilles réfractives LWIR sont fabriquées à partir de matériaux coûteux et en quantité limitée, tels que le germanium.

La nouvelle génération de systèmes optiques exige des lentilles non seulement plus légères et plus fines que jamais, mais qui garantissent également une qualité d’image sans compromis. Cette demande a alimenté une vague d’efforts visant à développer des optiques diffractives ultra-minces sub-longueur d’onde, connues sous le nom de méta-optique.

La méta-optique, dans sa forme la plus simple, consiste en des réseaux de nanopiliers à l’échelle inférieure à la longueur d’onde sur une surface plane, chaque pilier introduisant un déphasage local à la lumière qui le traverse. En disposant stratégiquement ces piliers, la lumière peut être contrôlée pour produire une direction et une lentille. Alors que les lentilles réfractives conventionnelles ont une épaisseur proche d’un centimètre, les méta-optiques ont une épaisseur d’environ 500 microns, ce qui réduit considérablement l’épaisseur globale de l’optique.

Cependant, l’un des défis de la méta-optique réside dans les fortes aberrations chromatiques. Autrement dit, la lumière de différentes longueurs d’onde interagit avec la structure de différentes manières, et le résultat est généralement une lentille qui ne peut pas focaliser simultanément la lumière de différentes longueurs d’onde dans le même plan focal. En grande partie à cause de ce problème, la méta-optique n’a pas encore complètement remplacé ses homologues réfractifs malgré les avantages en termes de taille et de réduction de poids.

En particulier, le domaine de la méta-optique LWIR est relativement inexploré par rapport à la méta-optique des longueurs d’onde visibles, et les avantages potentiels de la méta-optique par rapport aux lentilles réfractives conventionnelles sont significatifs compte tenu des applications uniques et étendues de cette gamme de longueurs d’onde.

Maintenant en un nouveau papier Publié dans Communications naturellesune équipe multi-institutionnelle de chercheurs, dirigée par Arka Majumdar, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique (UW ECE) et au département de physique de l’Université de Washington, a introduit un nouveau cadre de conception appelé « ingénierie MTF ».

La fonction de transfert de modulation, ou FTM, décrit dans quelle mesure un objectif maintient le contraste de l’image en fonction de la fréquence spatiale. Ce cadre aborde les défis associés à la méta-optique à large bande pour concevoir et démontrer expérimentalement l’imagerie thermique avec la méta-optique en laboratoire et dans le monde réel. L’équipe s’est appuyée sur des techniques de conception inverse déjà efficaces en développant un cadre qui optimise simultanément la forme des piliers et la disposition globale.

Tirer parti de l’intelligence artificielle et d’un nouveau cadre de conception inverse

Une innovation clé dans l’approche de l’équipe de recherche est l’utilisation de l’intelligence artificielle – un modèle de réseau neuronal profond (DNN) – pour cartographier la forme et la phase du pilier. Dans un processus de conception inverse pour l’optique à grande surface, il n’est pas possible, informatiquement, de simuler la manière dont la lumière interagit avec chaque pilier à chaque itération.

Pour résoudre ce problème, les auteurs ont simulé une grande bibliothèque de nanopiliers (également appelés « méta-atomes ») et ont utilisé les données simulées pour entraîner un DNN. Le DNN a permis une cartographie rapide entre le diffuseur et la phase dans la boucle d’optimisation, permettant la conception inverse d’optiques à grande surface contenant des millions de piliers à l’échelle du micron.

Une autre innovation clé de ce travail est la figure du mérite (FoM), qui a conduit à appeler le cadre « ingénierie MTF ». Dans la conception inverse, on définit un FoM et on optimise par calcul la structure ou la disposition pour maximiser le FoM. Cependant, il n’est souvent pas intuitif de savoir pourquoi le résultat obtenu est optimal. Pour ce travail, les auteurs ont exploité leur expertise en méta-optique pour définir un FoM intuitif.

Majumdar a expliqué : « Le facteur de mérite est lié à l’aire sous la courbe MTF. L’idée ici est de transmettre autant d’informations que possible à travers l’objectif, qui est capturé dans le MTF. Ensuite, combinés avec un backend informatique léger, nous peut obtenir une image de haute qualité. Le facteur de mérite reflète ce que nous savons intuitivement sur l’optique. Cette FoM particulière est optimisée lorsque toutes les longueurs d’onde fonctionnent également bien, contraignant ainsi nos optiques à avoir des performances uniformes sur les longueurs d’onde spécifiées sans définir explicitement l’uniformité comme un critère d’optimisation. »

Cette approche, combinant l’intuition de la méta-optique et un backend informatique léger, améliore considérablement les performances par rapport aux métaux simples.

Les auteurs ont fabriqué leurs optiques conçues à partir d’une seule plaquette de silicium, ce qui est prometteur pour les applications futures impliquant des systèmes d’imagerie LWIR sans germanium. Tout en reconnaissant qu’il y a encore place à l’amélioration pour obtenir une qualité d’imagerie comparable aux systèmes de lentilles réfractives commerciaux, ce travail représente une étape importante vers cet objectif.

Les chercheurs ont généreusement mis leur cadre d’ingénierie MTF, nommé « metabox », à disposition en ligne via GitHub, invitant les autres à l’utiliser pour concevoir leur propre méta-optique. L’équipe de recherche a exprimé son enthousiasme quant aux travaux potentiels qui pourraient émerger de l’utilisation de Metabox dans la communauté scientifique au sens large.

Les membres de l’équipe affiliés à l’UW ECE comprenaient les récents anciens élèves Luocheng Huang (auteur principal de l’article) et Zheyi Han, les chercheurs postdoctoraux Saswata Mukherjee, Johannes Fröch et Quentin Tanguy, ainsi que le professeur Karl Böhringer de l’UW ECE, directeur de l’Institut pour les nanotechnologies. -Systèmes d’ingénierie à l’UW.