Визуализация в дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне (LWIR) применяется во многих электронно-оптических системах, например, в наблюдательных системах ночного видения или в системах дистанционного зондирования Земли. Однако, обычные линзы, которые используются в таких приборах, достаточно громоздкие и тяжелые, что является существенным недостатком. Еще один недостаток заключается в том, что изготавливаются они из дорогостоящих материалов, например, из германия.
Новое поколение оптических систем требует более тонких и легких линз, обеспечивающих бескомпромиссное качество изображения. Для решения данного вопроса были использованы разработки сверхтонкой дифракционной оптики субволнового размера, известной как метаоптика.
По своей сути, метаоптический элемент состоит из массивов нанотрубок субволнового размера на плоской поверхности, причем каждая трубка вносит локальный фазовый сдвиг в проходящее через нее излучение. Правильное расположение данных трубок позволяет управлять светом, т.е. менять его направление и фокусировать в определенной точке. В отличие от обычных линз, имеющих толщину порядка сантиметра, метаоптический элемент имеет толщину около 500 микрон, что значительно уменьшает габаритные размеры оптической системы в целом.
Тем не менее, одной из проблем метаоптических элементов являются сильные хроматические аберрации, когда свет разных длин волн фокусируется в разных плоскостях. Во многом именно из-за этой проблемы метаоптика остаётся не такой популярной, несмотря на свои достоинства.
Группа ученых из Вашингтонского университета представила новый метод проектирования метаоптических элементов под названием «MTF-engineering», в основе которого лежит масштабная оптимизация. С помощью данного метода ученые одновременно оптимизировали как форму трубок, так и их расположение.
Использование искусственного интеллекта и инверсивного метода проектирования
Одним из нововведений в подходе этой исследовательской группы явилось использование искусственного интеллекта – модели глубокой нейронной сети для сопоставления формы трубки и изменения фазы излучения. При инверсивном проектировании оптических элементов больших габаритов, с математической точки зрения, нельзя промоделировать взаимодействие света с каждой трубкой.
Для решения данной проблемы ученые сделали библиотеку моделей нанотрубок (также называемых «метаатомами») и использовали ее для обучения нейронной сети. Сеть обеспечивает быстрое сопоставление формы рассеивателя и фазы при оптимизации, что позволяет осуществлять инверсивное проектирование оптики больших габаритов, содержащей миллионы трубок микронных размеров.
Другим нововведением стало внедрение оптимального критерия качества, благодаря чему метод и получил свое название «MTF-engineering». При инверсивном проектировании определяется начальное значение критерия качества, а затем численно оптимизируется структура и расположение трубок для его максимизации. Однако, не всегда понятно, почему полученный результат является оптимальным. Для определения оптимального критерия качества, ученые использовали свой опыт работы с мета-оптикой.
По словам ученых, показатель качества связан с площадью под графиком МПФ. «Суть в том, чтобы через линзу прошло как можно больше информации, что отражается на графике МПФ. Затем, в сочетании с цифровой обработкой сигнала, мы можем получить изображение высокого качества. Наш конкретный показатель качества оптимизируется, когда все длины волн работают хорошо, таким образом, наша оптика должна иметь одинаковые характеристики во всём заданном спектральном диапазоне».
Данный подход сочетает опыт работы с мета-оптикой и специализированное программное обеспечение для значительного повышения производительности по сравнению с простыми мета-линзами.
Ученым удалось спроектировать и изготовить оптический элемент из кремниевой пластины, что открывает перспективы для областей, связанных с системами визуализации, которые работают в дальнем ИК-диапазоне. Однако, в перспективе необходимо продолжить улучшение качества получаемого с помощью метаоптики изображения, чтобы оно было сопоставимо с тем, что дают используемые сейчас линзы.