自主系統和物聯網（IoT）的快速發展使得緊湊型低功耗圖像傳感器的開發成為必要，以彌合數字世界和物理世界之間的差距。為此，亞波長衍射光學元件（通常稱為超構光學元件），由于其能夠在小尺寸內實現多種功能，已經引起了光學和光子學界的極大興趣。然而，盡管經過多年的研究，與傳統的折射光學元件相比，超構光學元件的性能仍然較差。

與此同時，計算成像技術已經成為小型化光學系統有前景的途徑之一，盡管通常需要以更高的功率和延遲為代價。超構光學元件或計算解決方案都缺乏理想的性能，這促使研究人員尋找協同優化的超構光學-數字解決方案。超構光學前端可以對場景進行預處理以減少數字后端的計算負荷，而計算后端反過來又可以放寬對超構光學元件的要求。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國華盛頓大學Arka Majumdar副教授研究團隊對軟件定義的超構光學元件這一新興領域進行了展望。這種技術不是依靠純粹的光學解決方案或計算重建，而是提供了一種混合的協同優化光學-數字解決方案。

研究人員強調了推動當前技術發展的最新貢獻，并指出了未來研究工作的方向，以充分發揮亞波長光子平臺在成像和傳感應用中的潛力。協同技術轉化和超構光學技術的商業化將為未來高效、緊湊和低功耗的成像系統鋪平道路。相關研究成果以“Software-defined meta-optics”為題發表在Applied Physics Letters期刊上。

傳統光學與計算超構光學成像模式相比較的示意圖

研究人員簡要概述了利用超構光學與計算后端協同進行全彩圖像重建或傳感的系統的當前技術水平。研究人員注意到，這些研究大多數都沒有利用光學前端和計算后端的完全端到端的協同優化。然而，這些工作展示了如何使用軟件從超構光學元件捕捉的場景中提取額外信息。

雖然過去十年見證了軟件定義的超構光學元件的巨大進步，但該領域遠未實現其全部潛力。最值得注意的是，與體積龐大的折射透鏡捕獲的圖像相比，由最先進的超構光學元件捕獲并隨后進行計算重建的圖像質量仍然較差。雖然這種限制可以通過使用混合折射-超構光學元件來解決，但研究人員強調了軟件定義的超構光學元件的其它幾個方向。

軟件定義的超構光學元件未來發展方向的示意圖

先進的計算成像

軟件定義的超構光學元件的快速發展有潛力推動計算成像技術的發展。研究人員討論了三個應用領域：合成孔徑成像技術、相位檢索技術（例如傅立葉平面成像）、計算成像功能的小型化（例如高動態范圍成像），它們可以從超構光學系統提供的眾多自由度中受益匪淺。

多維成像

軟件定義的超構光學元件的快速發展使得在緊湊的尺寸下執行“多維”成像任務成為可能。最近的研究表明，三維超構光學元件可以根據入射光束的光譜和偏振特性對其進行分類。超構光學元件由于其緊湊的尺寸和強彩色光學響應，為高光譜成像應用提供了一種有前途的替代傳統塊體型折射元件的途徑。

光學加速器

由于其固有的并行性、速度和模擬性質，將光用于深度學習應用可能是有利的。這對于數據已經在光學域的應用是特別有前途的，例如由攝像頭（例如在自動駕駛汽車或熒光顯微鏡上）拍攝的圖像的處理，其中信號來自場景/朝向相機物體的光。研究人員認為，使用端到端設計方法來共同優化超構光學元件和數據分類算法，可能有助于實現能夠處理復雜深度學習任務的高效光神經網絡（ONN）。

可編程超構光學元件

通過引入動態可調諧性可以顯著增強軟件定義的超構光學元件。近年來，關于可調諧超構光學元件的研究已經有了大量的報道。利用自由載流子效應在簡并摻雜半導體和有機電光聚合物中實現了高速自由空間調制。可編程超構光學元件的另一個有前途的方向是采用基于硫族化合物的相變材料（PCM），該材料在相變下的折射率表現出較大的非易失性變化（Δn～0.7-1）。PCM還與超構光學元件進行集成，用于光的自由空間調制。

總而言之，研究人員概述了快速發展的軟件定義的超構光學領域。在過去的幾十年里，依靠視覺數據采集和處理的應用激增，成像技術的小型化勢在必行。為此，被稱為超構材料的人工工程材料由于其緊湊的尺寸和增強的光學功能而引起了科學界和產業界的極大關注。因此，作為毫米級塊體型折射光學元件的替代方案——超構光學元件，已經被研究用于廣泛的應用，例如全彩成像、光譜學和深度傳感。雖然該領域最初的努力旨在設計具有預定義相位輪廓的超構光學元件，但最近的研究采用逆向設計技術來實現具有增強功能的非直觀器件幾何形狀。通過利用計算后端處理超構光學元件捕獲的原始圖像，觀察到了所獲得的圖像質量的進一步改進。為了充分利用這種光子平臺在成像應用中的潛力，端到端設計方法也被用于共同優化超構光學元件和計算后端。

編輯：黃飛

?