Нанооптика и метаоптика представляют собой одно из самых динамично развивающихся направлений современного фотонического приборостроения. Их фундаментальная особенность заключается в управлении светом на сверхмалых, субволновых масштабах при помощи искусственно созданных наноструктур, которые формируют необходимые оптические характеристики. Среди перспективных задач в этой области особенно выделяется разработка широкополосных систем, способных работать в видимом спектральном диапазоне с большими апертурами, что обеспечивает высокое качество изображения и подходит для интеграции в потребительские электронные устройства. Однако на пути реализации этих целей стояли фундаментальные ограничения, вызванные хроматическими аберрациями и другими эффектами, связанными с квантово-волновой природой света. Долгое время считалось, что достичь полноценной широкополосной работы с большими апертурами в плоских оптических устройствах практически невозможно.
Последние исследования, воплощённые в лабораторных и промышленных разработках, сумели опровергнуть эту точку зрения, проложив путь к созданию тончайших и компактных оптических систем с выдающимися характеристиками. Ключевой вызов в создании широкополосных метаоптических элементов с большими апертурами заключается в борьбе с хроматической аберрацией - искажениями, возникающими из-за зависимости показателя преломления и фазового сдвига от длины волны. В традиционной рефрактивной оптике эта проблема решается при помощи сложных многоэлементных систем, что приводит к увеличению массы и размера оптического блока и ограничивает возможности для миниатюризации. Наоборот, метаоптика обещает заменить громоздкие линзы ультратонкими плоскими устройствами, иногда толщиной всего в несколько микрометров, представляющими собой упорядоченные массивы наноструктур, каждая из которых локально изменяет фазу проходящего света и формирует искомую волновую поверхность. Несмотря на высокую технологическую привлекательность, ранние метаоптические решения не могли обеспечить стабильное фокусирование и высокое качество изображения на больших апертурах и в широком спектральном диапазоне из-за ограничений, связанных с фазовой оболочкой 0-2π и сильным хроматическим разбросом.
Тем не менее, прогресс в численном моделировании, оптимизации и создании вычислительной оптики открыл путь для новых архитектур. Одним из прорывов стало комбинирование дизайна метаэлементов с вычислительной постобработкой, которая способна исправлять оптические ошибки и тем самым значительно улучшать конечное качество изображения. Разработка новой категории метаоптик базируется на эффективности проектирования цилиндрически симметричного фазового профиля, что значительно сокращает вычислительную сложность. Вместо моделирования всей трёхмерной структуры с миллиардами рассеивателей, стало возможным использовать модели с несколькими тысячами параметров, что в сочетании с дифференцируемым программированием привело к оптимальному решению. Такой многократный итеративный подбор формирователя фазы позволяет добиться очень хорошего совпадения зоны фокуса для разных длин волн в видимом диапазоне, создавая эффект расширенной глубины резкости и тем самым минимизируя отклонения из-за хроматизма.
Экспериментальные работы по реализации таких систем подтверждают, что 1-сантиметровые метаоптики с апертурой f/2 способны создавать изображения с качеством, сравнимым и даже превосходящим классические рефрактивные объективы. Для этого используется простой и технологически совместимый с массовым производством материал - нитрид кремния на кварцевой подложке. Его использование отвечает промышленным стандартам и рентабельно для масштабных изготовлений, что ставит задача широкого внедрения метаоптики в камеры смартфонов, медицинские эндоскопы и датчики автономного транспорта в реальную практику. Система больших апертурных широкополосных метаоптик интегрируется непосредственно с камерой без дополнительных объективов, что способствует снижению потерь и упрощению конструкции. При этом совокупное качество изображения достигается не только за счёт точной нанофабрикации и архитектурного дизайна, но и благодаря кооперации с вычислительным бэкендом, зачастую базирующимся на нейросетевых алгоритмах, обеспечивающих коррекцию оставшихся оптических аберраций и повышение четкости и контрастности снимков.
При измерениях, таких как точечная функция рассеяния (PSF) и модуляционная передаточная функция (MTF), широкополосные метаоптики демонстрируют расширенный диапазон рабочих углов и высокую стойкость к отклонениям угла падения света, что является подтверждением их широкого поля зрения и эффективности в сложных сценариях съёмки. Особенно примечательно то, что на больших углах поля зрения они даже превосходят традиционные линзы, что ранее считалось труднодостижимым для плоских структур. Важной особенностью современных достижений стала реализация обучаемых байесовских и диффузионных моделей, которые позволяют создавать универсальные алгоритмы восстановления, не зависящие от конкретной сцены или условий освещения. Такие методы используют пары изображений, полученных одновременно с помощью классического объектива и метаоптики, для обучения нейросети корректировать артефакты, шум и искажения. Результаты показывают, что изображения после такой обработки становятся насыщенными, с яркими цветами и высокой детализацией, очень близкими по качеству к снимкам с многослойных объективов.
Достижения в данной области открывают множество перспектив для будущих технологий. Созданный подход гарантирует возможность видеофиксации с высокой частотой кадров, что важно для приложений в области видеонаблюдения, мобильной связи, робототехники и медицины. Тонкие и легкие оптические компоненты способны снизить энергопотребление, уменьшить размеры устройств и расширить функциональность в компактных гаджетах. Таким образом, сняты прежние ограничения, касавшиеся невозможности создания широкополосных крупных по размеру метаоптик. Синергия передовых нанофабрикационных методов, продвинутого численного моделирования, а также искусственного интеллекта в области восстановления изображений заложила фундамент для новой волны развития плоских объективов.
Это означает, что в ближайшие годы можно ожидать широкого внедрения таких решений в массовые продукты и научные приборы. Подводя итог, можно сказать, что современные широкополосные метаоптические системы с большими апертурами преодолевают фундаментальные физические и технические барьеры, прежде считавшиеся непреодолимыми. Их архитектура обеспечивает стабильную фокусировку в видимом диапазоне, а интеллектуальная вычислительная обработка позволяет восстанавливать высококачественные цветные изображения. Данные технологии открывают путь к миниатюрным, лёгким и эффективным оптическим устройствам будущего, которые смогут преобразить индустрию визуальных систем и улучшить опыт пользователей повседневных приборов. .
