软件定义的超构光学元件

自主系统和物联网（IoT）的快速发展使得紧凑型低功耗图像传感器的开发成为必要，以弥合数字世界和物理世界之间的差距。为此，亚波长衍射光学元件（通常称为超构光学元件），由于其能够在小尺寸内实现多种功能，已经引起了光学和光子学界的极大兴趣。然而，尽管经过多年的研究，与传统的折射光学元件相比，超构光学元件的性能仍然较差。与此同时，计算成像技术已经成为小型化光学系统有前景的途径之一，尽管通常需要以更高的功率和延迟为代价。超构光学元件或计算解决方案都缺乏理想的性能，这促使研究人员寻找协同优化的超构光学-数字解决方案。超构光学前端可以对场景进行预处理以减少数字后端的计算负荷，而计算后端反过来又可以放宽对超构光学元件的要求。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国华盛顿大学Arka Majumdar副教授研究团队对软件定义的超构光学元件这一新兴领域进行了展望。这种技术不是依靠纯粹的光学解决方案或计算重建，而是提供了一种混合的协同优化光学-数字解决方案。研究人员强调了推动当前技术发展的最新贡献，并指出了未来研究工作的方向，以充分发挥亚波长光子平台在成像和传感应用中的潜力。协同技术转化和超构光学技术的商业化将为未来高效、紧凑和低功耗的成像系统铺平道路。相关研究成果以“SofTWare-defined meta-optics”为题发表在Applied Physics Letters期刊上。

传统光学与计算超构光学成像模式相比较的示意图

研究人员简要概述了利用超构光学与计算后端协同进行全彩图像重建或传感的系统的当前技术水平。研究人员注意到，这些研究大多数都没有利用光学前端和计算后端的完全端到端的协同优化。然而，这些工作展示了如何使用软件从超构光学元件捕捉的场景中提取额外信息。

虽然过去十年见证了软件定义的超构光学元件的巨大进步，但该领域远未实现其全部潜力。最值得注意的是，与体积庞大的折射透镜捕获的图像相比，由最先进的超构光学元件捕获并随后进行计算重建的图像质量仍然较差。虽然这种限制可以通过使用混合折射-超构光学元件来解决，但研究人员强调了软件定义的超构光学元件的其它几个方向。

软件定义的超构光学元件未来发展方向的示意图

先进的计算成像

软件定义的超构光学元件的快速发展有潜力推动计算成像技术的发展。研究人员讨论了三个应用领域：合成孔径成像技术、相位检索技术（例如傅立叶平面成像）、计算成像功能的小型化（例如高动态范围成像），它们可以从超构光学系统提供的众多自由度中受益匪浅。

多维成像

软件定义的超构光学元件的快速发展使得在紧凑的尺寸下执行“多维”成像任务成为可能。最近的研究表明，三维超构光学元件可以根据入射光束的光谱和偏振特性对其进行分类。超构光学元件由于其紧凑的尺寸和强彩色光学响应，为高光谱成像应用提供了一种有前途的替代传统块体型折射元件的途径。

光学加速器

由于其固有的并行性、速度和模拟性质，将光用于深度学习应用可能是有利的。这对于数据已经在光学域的应用是特别有前途的，例如由摄像头（例如在自动驾驶汽车或荧光显微镜上）拍摄的图像的处理，其中信号来自场景/朝向相机物体的光。研究人员认为，使用端到端设计方法来共同优化超构光学元件和数据分类算法，可能有助于实现能够处理复杂深度学习任务的高效光神经网络（ONN）。

可编程超构光学元件

通过引入动态可调谐性可以显著增强软件定义的超构光学元件。近年来，关于可调谐超构光学元件的研究已经有了大量的报道。利用自由载流子效应在简并掺杂半导体和有机电光聚合物中实现了高速自由空间调制。可编程超构光学元件的另一个有前途的方向是采用基于硫族化合物的相变材料（PCM），该材料在相变下的折射率表现出较大的非易失性变化（Δn∼0.7-1）。PCM还与超构光学元件进行集成，用于光的自由空间调制。

总而言之，研究人员概述了快速发展的软件定义的超构光学领域。在过去的几十年里，依靠视觉数据采集和处理的应用激增，成像技术的小型化势在必行。为此，被称为超构材料的人工工程材料由于其紧凑的尺寸和增强的光学功能而引起了科学界和产业界的极大关注。因此，作为毫米级块体型折射光学元件的替代方案——超构光学元件，已经被研究用于广泛的应用，例如全彩成像、光谱学和深度传感。虽然该领域最初的努力旨在设计具有预定义相位轮廓的超构光学元件，但最近的研究采用逆向设计技术来实现具有增强功能的非直观器件几何形状。通过利用计算后端处理超构光学元件捕获的原始图像，观察到了所获得的图像质量的进一步改进。为了充分利用这种光子平台在成像应用中的潜力，端到端设计方法也被用于共同优化超构光学元件和计算后端。

论文信息：
https://doi.org/10.1063/5.0164387