近年来,超平面光学与元光学(metasurface)在光学微型化方面迅速崛起,承诺以极薄的纳米结构替代笨重的传统透镜,实现更轻、更薄、更易于集成的相机光学系统。然而,衍射本质带来的色散问题长期成为大口径、宽谱成像的主要瓶颈。日前科研团队提出一种端到端协同设计策略,结合物理优化和计算重建,成功在可见光范围内实现了1厘米口径、f/2大口径元光学的宽带成像,展示了如何"以计算战胜物理局限",为元光学进入消费级成像提供了重要参考。本文深入拆解该成果的技术路线、实验验证、实际表现与产业化前景,帮助读者理解为何这是纳米光学领域的一个里程碑式进展。 色差与大口径元光学的挑战 超平面光学通过精心设计的纳米散射单元在亚波长尺度上控制光的相位,但为压缩结构厚度而进行的相位折叠(phase wrapping)会引入比折射透镜更显著的色散。当口径增大、数值孔径提升时,想要在单一焦距上同时保证多波长的衍射极限性能,受制于物理极限几乎不可能。
定量上,较高的Fresnel数和较宽的相对谱宽(Δλ/λ0)不可兼得:若保持高Fresnel数以实现良好成像力,色散带来的焦移和波前畸变会显著恶化成像质量。因此过去的工作常局限于小口径、低NA或窄带应用,或者采用复杂的多层衍射(MLD)来部分缓解色差,但制造复杂度和成本随之上升。 端到端协同设计的核心思路 克服这些根本限制的关键并非单靠被动的散射单元工程,而是通过联合设计光学元件和计算后端来重设系统的容错空间。上述团队采用两阶段优化流程:第一步在受约束的径向对称模型下,利用全波导近似和Rayleigh-Sommerfeld衍射积分对不同波长的焦点强度进行密集采样优化,目标是使透镜在450-650纳米范围内的焦点能量最大化并形成"延展焦深"(extended depth of focus,EDOF)效应。EDOF使得不同波长的焦平面在空间上更为重叠,从而降低色散带来的焦移问题。第二步则将物理端的相位配置作为初始条件,和基于物理成像模型的可微分重建网络进行端到端联合优化,使系统在实际场景中经过计算重建能生成高质量全色图像。
为何径向对称与只计算轴向传播是可行的 面对尺度高达1厘米且散射器间距约为250纳米的设计问题,直接对每个单元进行全场仿真计算几乎不可能。通过假定透镜径向对称并只优化轴向(on-axis)场分布,设计空间从10^9级别降至10^4级别,使得密集波长采样和优化成为可行方案。该近似之所以合理,基于三点考虑:第一,EDOF设计在轴向上延展焦深,能够部分抵消场角引入的像面曲率;第二,径向对称保证PSF的对称性,减少方向性伪影,有利于泛化重建;第三,径向对称设计在成像系统中更为通用,不会偏袒某一方向的性能。 制造工艺与可量产性 研究中的元光学采用SiN(氮化硅)栅格置于石英衬底上,单个散射柱厚度在微米级别,整体光学层厚度仅约一微米,相比同口径的玻璃球面透镜在厚度上缩小了四个数量级。散射器为方形截面结构,制造流程基于电子束曝光、金属掩膜与反应性离子刻蚀(RIE),并在整个一厘米口径上实现了良好的结构均一性。更重要的是所用材料与几何形状对纳米压印光刻(NIL)等批量化工艺友好,利于未来在半导体代工厂进行规模化制造,从而具备进入消费电子供应链的潜力。
实验验证:PSF、MTF与可见光全色成像 在评估系统成像能力时,团队进行了全面的光学表征:使用可调谐光源对不同入射角(0°、5°、10°、15°)和不同波长(480-680纳米)测量点扩散函数(PSF),并通过标准的USAF 1951分辨率靶测得线对对比度(MTF)。结果显示,传统单片超球面或超平面金属透镜虽然在设计波长附近能达到较好分辨率,但在波长与视场角变化时性能迅速下滑。相比之下,EDOF与端到端联合优化的元光学在低入射角下PSF略显扩展,但在较大视场角(>10°)时表现更稳定,PSF尺寸增长更小,进一步证明EDOF设计能有效缓解视场相关的像质恶化。 最关键的是,虽然裸机元光学捕获的原始影像往往伴有低频背景与尾部散射导致的模糊,但通过基于系统PSF的维纳滤波物理反卷积与去噪处理,可将线对对比度显著提升,某些低频至中频范围内(约0-70 lp/mm)达到或接近同口径折射鏡头经计算增强后的成像质量。在实际彩色场景投影与自然光拍摄中,完成计算反卷积后的图像在颜色再现与中低频细节上已经能与传统镜头相媲美,且在较大视角区域甚至优于单片折射镜头。 端到端学习:扩散模型的引入与实景配对训练 为了进一步缩小与现有数码相机系统在画质方面的差距,研究团队采用了基于概率生成模型的扩散(diffusion)神经网络作为重建后端。
为了获取真实场景数据并避免模拟偏差,他们搭建了一个同轴双相机采集系统:70%透光用于元光学相机,30%反射至传统复合镜头相机,二者共享视场,从而可以用传统相机的高质量输出作为"参考真值"对元光学成像和重建网络进行监督训练。扩散模型在修复颜色、去雾、降噪、补偿传感器角依赖性和空间变化的像差方面显示出优越性,重建图像在视觉鲜明度、细节恢复与色彩准确性上均优于基于传统物理反卷积的结果。重要的是,验证集中的图像并未用于训练,表明训练后的模型在真实场景下具有良好泛化能力。 视频级成像能力 另一个显著进展是系统在视频级帧率与短曝光条件下的实用性。得益于1厘米的大口径与相对高的数值孔径,传感器能在毫秒级曝光捕获足够光子,实现了10-20 fps的视频拍摄,记录动态场景如投掷物体、跳跃动作等。尽管一些场景在重建后仍会出现小幅伪影(如黑色晕影),但整体动态细节和色彩还原已足以满足日常消费级应用需求。
对比传统复合镜头与其他宽带元光学方案 团队在研究中进行了系统的横向比较:与简单的超球形金属透镜相比,端到端优化的宽带元光学在宽谱环境下表现更稳定;与多级衍射光学(MLD)相比,尽管MLD在某些设计上可实现较宽的带宽,然而其制造复杂度、步进层数与对齐精度要求高,使得代工和成本成为弱点。该研究的元光学凭借简单散射单元的方案,在制造友好性上具有优势,同时通过计算后端弥补了物理单片结构的不足。 为何计算成像能"战胜"颜色限制 核心理念在于将部分成像任务从光学域转移到计算域进行协同优化。物理端负责将尽可能多的频谱信息以可辨别的方式编码到传感器读数中,保证保留的高斯峰或能量主体;计算端则承担解码、去噪与反卷积工作。只要系统的点扩散函数在各波长间具有可预测性与稳定性,学习或物理反卷积方法就能从叠加的模糊中恢复出大部分有用信息。EDOF的设计策略恰恰使得不同波长的能量在成像平面上具备足够的重叠,从而保证了计算重建的可行性与鲁棒性。
潜在应用与产业化路径 大口径、窄厚度的宽带元光学在多个领域都具备革命性意义。消费电子方面可用于缩减手机摄像头凸起、轻量化笔记本摄像头模组或增强可穿戴设备的成像能力;工业与航空航天领域对重量与体积敏感的传感器平台也能从中获益;医疗内窥镜与微创成像设备则可借助小尺寸光学器件实现更低侵入性和更高便携性。由于采用了SiN-on-quartz与方形散射单元等制造友好策略,结合纳米压印与大硅片工艺,进入代工量产的路径相对清晰。 挑战与未来研究方向 尽管进展显著,若干挑战仍需攻克。其一是针对更高分辨率场景的恢复能力,当前系统在极高空间频率下仍不及顶级复合镜头。其二是多光源、极端低光或高动态范围场景下的鲁棒性与泛化能力需要更多数据和更先进的学习策略来提升。
其三是环境稳定性与制造误差容忍度,实际代工中的尺寸、深度和材料折射率误差会影响器件一致性,需要开展更大规模的良率工程。此外,将扩散模型等复杂神经重建集成到手机等受限算力的终端上,需要在模型压缩、加速推理与边缘部署上投入研发。 结语 通过将物理光学设计与先进计算成像方法紧密结合,研究团队证明了"大口径+宽带+超平面"的目标并非不可能。延展焦深的物理设计为宽谱焦点重合提供了基础,而基于物理模型与扩散生成网络的联合重建则实现了对残余色差与模糊的有效补偿。该路线在技术上兼顾了制造可行性与成像性能,指明了未来元光学商用化的一条清晰路径。随着代工能力的成熟和计算能力的普及,宽带大口径纳米光学有望成为下一代轻薄影像系统的关键组成部分,推动消费电子、工业检测与医疗成像等领域进入新的微型化时代。
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