平面光學器件因其能夠替代或增強折射光學器件，被認為是實現新型成像和傳感技術的一種極具吸引力的方法。然而，色差問題對衍射平面光學器件構成了根本性限制。因此，迄今為止，真正的寬帶高質量成像對于小f數、大孔徑平面光學器件來說還難以實現。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由美國華盛頓大學（University of Washington）、北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）、普林斯頓大學（Princeton University）和Tunoptix公司組成的研究團隊克服了固有的光譜帶寬限制，通過結合計算重建共同設計平面超構光學（meta-optic）器件成功實現了可見光波段的寬帶成像。研究人員推導了寬帶、1厘米孔徑、f/2平面光學器件的必要條件，該器件對角線視場角為30°，在可見光波段的空間頻率為100 lp/mm時，平均系統MTF對比度為20%或更大（空間分辨率小于70 lp/mm時大于30%）。最后，研究人員使用同軸雙孔徑系統，并通過基于成對采集成像數據的學習重建方法來訓練寬帶成像超構光學器件。這項研究從根本上挑戰了“單個大孔徑超構光學無法實現高質量全彩圖像捕獲”的固有觀念。這項研究以“Beating spectral bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics”為題發表在Naturenature Communications期刊上。
復雜的超構光學器件通常需要全波模擬形式來精準捕捉其衍射特性并考慮亞波長特征尺度。為克服這一挑戰，在假設徑向對稱的相位分布和傳播條件情況下，研究人員采用連續兩步優化了大孔徑寬帶超構光學器件，從而將設計參數降低至約10?。圖1展示了大孔徑全彩超構光學器件的設計與制造。研究人員使用3D打印孔徑將該平面納米光學器件直接集成到商用相機上（如圖1e）。
圖1 大孔徑全彩超構光學器件的設計與制造
為了驗證該超構光學器件的寬帶性能，研究人員將所有超構光學器件與等效折射透鏡進行了基準比較。研究人員直接在傳感器上測量了寬光譜范圍內窄線寬的點擴散函數（PSF），并測量了以5°為步長從0°到15°的不同入射角（aoi）的情況。圖2展示了超構光學器件的性能測量結果。
圖2 超構光學器件的性能測量
研究人員通過開發的超構光學器件優化流程，獲得了良好平衡的PSF（以及MTF），確保在整個光譜范圍內具有一致的性能。為了演示這些指標如何轉化為寬帶成像，研究人員在OLED屏幕上投影了一系列全彩場景，并使用相應的光學器件進行捕獲。圖3分別展示了投影的標準圖像（圖3a）、折射透鏡（圖3b）、雙曲面（圖3c）以及寬帶端到端超構光學器件（圖3d）重建后的圖像對比。針對消費類應用場景，研究人員進一步展示了寬帶成像在真實場景中的能力（如圖3h）。
圖3 超構光學器件成像及與折射光學器件成像的比較
因此，為了充分發揮計算后端的優勢，研究人員采用學習重建方法進一步增強了超構光學器件。為了實現更高級的空間變化的像差校正以及降噪處理效果，研究人員設計了一種基于概率擴散的神經網絡。圖4展示了具有學習后端的寬帶成像成果。結果顯示，具有學習后端的寬帶超構光學產生的圖像幾乎與復合透鏡相機成像效果相當。
圖4 具有學習后端的寬帶成像
綜上所述，這項研究展示了使用單一、偏振不敏感的、1厘米大孔徑、f/2平面超構光學器件實現可見光寬帶視頻速率成像。通過以端到端設計超構表面，研究人員在考慮了平面衍射光學器件的固有局限性的同時，結合計算重建方法，確保在所提供的限制條件下實現最佳性能。這項研究最終達到了與復合成像器件相當的成像效果，并展示了一種基于概率擴散模型的學習重建方法。總之，這項研究從本質上展示并闡明了如何利用大孔徑（1厘米）超平面光學元件實現可見光寬帶成像，從而挑戰了業界“使用大孔徑超構光學器件無法實現寬帶成像”的固有觀念。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58208-4
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