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在光学成像领域，衍射平面光学存在色散色差限制，难以实现大孔径、宽带高质量成像。研究人员开展 “Beating spectral bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics” 研究，通过计算重建协同设计平面超表面光学元件，实现可见光宽带成像，为消费电子等领域带来新突破。
在当今时代，相机已广泛融入人们生活的方方面面，从日常使用的笔记本电脑、智能手机，到汽车传感器、医疗仪器以及监控设备，都离不开它的身影。随着科技的发展，人们对光学元件的小型化提出了更高要求，例如更小的镜头有助于减少光学内窥镜手术的侵入性，轻质的光学系统能够降低无人机和卫星的功耗，甚至可以解决手机摄像头的 “镜头凸起” 问题，进一步减小智能手机的厚度。在这样的背景下，平面衍射光学，尤其是超表面光学元件（meta-optics，由亚波长、衍射、准周期排列的纳米级散射体构成，能通过局部赋予所需相位延迟来改变透射波前），被视为替代或增强折射光学元件的理想选择，不少研究探索了其在全息、多模态传感、光谱仪等领域的应用。
然而，衍射光学存在着难以忽视的局限性。为了减小厚度，其绝对相位通常被包裹在 0 - 2π 范围内，这导致产生的色差比折射透镜大得多。对于大孔径和较大数值孔径（NA）的情况，单个超表面光学元件很难在宽光谱带宽和实用的数值孔径下实现高性能，这使得宽带超表面光学元件的应用局限于小孔径（约 100μm）、低数值孔径（约 0.05）或分辨率严重受限的场景。尽管已有研究尝试通过计算重建来实现高质量成像，但大孔径（>4mm）、适用于消费电子集成的单超表面宽带全彩成像仍难以实现，并且现有研究对合适的设计方法缺乏深入理解。
为了解决这些问题，来自美国华盛顿大学、北卡罗来纳大学教堂山分校、普林斯顿大学等机构的研究人员开展了相关研究。他们通过协同设计平面超表面光学元件与计算重建方法，成功克服了大孔径宽带纳米光学的光谱带宽限制，在可见光范围内实现了宽带成像，并将研究成果发表在《Nature Communications》上。这一成果挑战了传统观念中认为无法使用单个大孔径超表面光学元件捕获高质量全彩图像的观点，具有重要的意义。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是利用 S4 软件进行散射体设计和严格耦合波分析（RCWA）；二是采用两步优化法设计大孔径宽带超表面光学元件，先通过模拟中心视场减少内存需求，优化得到扩展焦深（EDOF）的设计，再进行端到端（end-to-end）优化；三是使用物理信息逆滤波器和基于概率扩散的神经网络进行图像重建。
研究结果如下：
- 设计挑战与解决方案：大孔径宽带超表面光学元件的设计面临计算难题，单个超表面光学元件若要准确分析性能，计算量巨大。研究人员通过假设径向对称相位分布和传播条件，将设计参数减少到约 104 。先优化使超表面光学元件在宽光谱范围内中心焦点强度最大化，得到扩展焦深的聚焦轮廓，不同波长的聚焦轮廓在光轴上延伸较长距离，在同一平面上能保持相似的点扩散函数（PSF），实现宽带功能。之后，再进行端到端的计算成像优化，分别针对多色设计（红、绿、蓝三种波长实现高质量成像）和整个可见光谱范围内约 5nm 采样的宽带操作进行优化。
- 超表面光学元件的制备、集成与特性：制备的 1cm 孔径超表面光学元件与相同孔径和 f 数的折射透镜相比，厚度显著减小（超表面散射体厚度约 1μm，相比折射透镜厚度减少 4 个数量级）。该超表面光学元件集成到商业相机后，可直接从系统层面评估成像性能，大孔径使其能够实现高帧率成像。并且，其采用 SiN - on - quartz 平台和简单的方形散射体几何结构，适合通过纳米压印光刻进行大规模制造。与以往平面光学元件相比，此次研究展示了目前用于可见宽带成像的最大超表面光学元件，在菲涅尔数（Fresnel Number）上也具有优势。
- 与折射透镜的性能对比：研究人员将超表面光学元件与等效折射透镜进行性能对比。测量不同入射角（aoi）和光谱范围内的 PSF 发现，在低入射角（0°，5°）时，折射透镜的 PSF 较窄，但在较大入射角（10°，15°）时严重像差；而优化后的宽带端到端设计的超表面光学元件在低入射角时 PSF 稍宽，在大入射角时整体尺寸更小。测量线对对比度（line pair contrast）表明，经过计算后，宽带超表面光学元件的线对对比度提高约 6 倍，达到与折射透镜相当的水平，而折射透镜和双曲线金属透镜（hyperboloid metalens）计算后提升不明显。在整个光谱范围内，宽带超表面光学元件原始成像性能滞后，但经过反卷积后，在 10 - 50 lp/mm 的线对对比度上增益显著，超过 40%，与折射透镜相当，验证了其在消费电子领域用于宽带全彩成像的适用性。
- 成像性能评估：使用基于物理的逆滤波器（Wiener 滤波）进行图像重建，结果显示宽带超表面光学元件整体成像质量与折射透镜相当，能准确捕捉细节和颜色对比度。在大视场角（>10°）下，超表面光学元件表现更优，图像特征更清晰。同时，研究人员还展示了该超表面光学元件适用于视频速率成像，能够捕捉快速运动场景。此外，通过设计基于概率扩散的神经网络作为学习后端进行图像重建，相比基于物理的逆滤波器，得到的图像在 haze、颜色准确性、噪声抑制等方面表现更优，几乎与复合透镜相机成像效果相当。
研究结论和讨论部分指出，研究人员通过端到端的设计方式，结合计算重建，成功克服了平面衍射光学固有的色散色差限制，仅用微米厚的衍射层就实现了高质量成像。与其他设计（如双曲线金属透镜、EDOF 设计、多色超表面光学元件）对比，验证了各设计的功能以及可见宽带成像能力的实现原理。该研究全面评估了光学性能，并与折射元件进行了直接对比，考虑了传感器的限制，其制备友好的设计也适用于半导体制造。最终，该研究实现了与单个折射透镜相当的成像性能，在 0 - 70 lp/mm 范围内计算后的平均调制传递函数（MTF）对比度大于 30% ，在 10° 及更大视场角下成像能力有所提升，适用于环境成像和视频速率短曝光成像。这一研究成果为可见光谱范围内的大孔径宽带成像提供了新的解决方案，挑战了传统观念，为相关领域的发展开辟了新的道路。
