基于Golay稀疏孔径超构透镜的长波红外远距离计算成像研究

《Nature Communications》：A golay metalens for long-range, large aperture, thermal imaging via sparse aperture computational imaging

针对大孔径中波红外(MWIR)成像系统笨重昂贵的问题，研究团队提出Golay稀疏孔径超构透镜计算成像方案。通过6+1子孔径非冗余排布与深度学习去噪重建算法，在89 mm孔径、356 mm焦距下实现近衍射极限成像，重量减轻15倍。该工作为轻量化、高性能MWIR远距离成像系统提供了可扩展解决方案。

　　

在防御、工业和环境监测领域，中波红外（MWIR, 3-5 μm）成像技术因其对温度变化的高度敏感性和穿透大气雾霾的能力而备受青睐。然而，要实现远距离高分辨率成像，传统折射光学镜头需要具备超大孔径（100-1000 mm），导致系统变得异常笨重和昂贵。超构透镜（metalens）作为一种轻薄的光学元件，虽能显著减轻重量，但在大孔径制备方面面临严峻挑战——目前最大报道的单个超构透镜孔径仅为100 mm，且通过拼接多个曝光场会引入像差和效率下降问题。

受天文观测中稀疏孔径阵列（如阿塔卡马大型毫米波阵）的启发，研究人员提出将多个小孔径透镜按特定空间排列组合，通过计算成像算法重建出相当于单个大孔径透镜所获得的高分辨率图像。但现有稀疏孔径系统多局限于微米尺度的简单配置（最多4个子孔径），且重建算法多采用维纳滤波等基础技术，难以满足实际应用需求。更复杂的是，稀疏孔径会产生大而不对称的点扩散函数（PSF），导致图像模糊，而超构透镜相对较低的效率又会降低信噪比（SNR）。

在此背景下，Rice大学和华盛顿大学的研究团队在《Nature Communications》发表论文，提出了一种名为Golay超构透镜的创新计算成像系统。该系统巧妙结合了（a）按Golay空间构型排列的小孔径阵列和（b）基于深度学习去噪先验的图像重建算法，成功突破了单个超构透镜的孔径限制。研究团队设计并制备了外径89 mm、焦距356 mm的Golay₆₊₁超构透镜原型（包含7个子孔径），实验证明其可实现近衍射极限性能。尤为重要的是，他们还通过理论模拟设计了孔径达495.1 mm的递归Golay₆₊₁超构透镜，展示了该方案的可扩展性。这一发展为构建轻量化、低成本、高性能的MWIR远距离成像系统开辟了新途径。

关键技术方法主要包括：1）基于非冗余自相关Golay阵列的稀疏孔径超构透镜设计（子孔径直径16 mm，分辨率增强因子D/d=5.56）；2）全硅平台纳米加工技术（采用激光直写光刻和深反应离子刻蚀制备高度7.9 μm的纳米柱结构）；3）基于半二次分裂（HQS）算法结合扩张残差U-Net（DRUNet）深度去噪先验的插播式图像重建框架；4）调制传递函数（MTF）和点扩散函数（PSF的仿真与实验评估方法；5）递归Golay构型（49个子孔径）的大孔径系统模拟验证。

设计6+1子孔径系统

Golay构型以其非冗余自相关特性可实现紧凑且宽广的空间频率覆盖。研究团队在标准Golay₆基础上增加中央子孔径形成Golay₆₊₁构型，此举带来两大优势：一是中央孔径有效增强中低频MTF响应（图1e-f），二是为制备和操作过程提供对准基准。通过角谱波传播法和双曲线相位分布仿真表明，Golay₆₊₁的PSF最尖锐，且其MTF在高频区域显著优于等效孔径和中央单孔径。

超构光学设计与制备

通过扰动实验（图2a-b）验证了制备容差：即使子孔径位置在±50 μm范围内随机偏移，系统仍能保持30.27 dB的平均峰值信噪比（PSNR）。超构透镜采用全硅平台，通过严格耦合波分析（RCWA）构建纳米柱相位库，选用5.6 μm晶格周期和7.9 μm柱高的纳米结构。制备的Golay₆₊₁超构透镜包含约4500万个纳米柱，厚度仅300 μm（图2d-g）。

成像性能验证

在7.5-30 m距离上对USAF分辨率靶、西门子星等目标进行成像测试。重建算法使Golay₆₊₁在MTF阈值0.1时截止频率达18.7 lp/mm，远超等效孔径（15.7 lp/mm）和中央孔径（8.0 lp/mm）。USAF靶实验表明其可分辨0.7 mm线宽（理论衍射极限0.49 mm），结构相似性指数（SSIM）较原始传感器图像提高77%。对雪花靶的视场（FoV）分区分析显示，重建算法在中心、中间和边缘区域分别提升SSIM 0.24、0.23和0.16，证明全视场一致性增强。

远距离与动态成像

在30 m距离对加热器进行宽带（3-5 μm）成像时，Golay₆₊₁能清晰分辨金属条纹和内部纹理（图4d-g），而中央孔径图像细节缺失。运动测试中，即使相机随机移动，重建后的十字靶标在各视场位置均保持清晰成像，证明系统具备良好的运动容差能力。

递归稀疏孔径超构透镜探索

为解决单晶圆尺寸限制，团队设计了递归Golay₆₊₁系统：将7个Golay₆₊₁超构透镜作为子孔径按相同构型排列，实现外径495.1 mm（分辨率增强因子30.94）。模拟显示其MTF高频覆盖显著优于等效孔径（图5b-d），在30 dB SNR的退化条件下，重建图像的PSNR（18.00 dB）和SSIM（0.93）均优于等效孔径（14.56 dB，0.84），尤其能更好恢复西门子星尖端细节。

本研究通过Golay稀疏孔径超构透镜与先进计算成像算法的结合，成功解决了大孔径MWIR成像系统的重量和成本瓶颈。实验证明Golay₆₊₁构型在保持轻量化（重量减少15倍）的同时，可实现近衍射极限成像性能。递归设计进一步展示了方案的可扩展性，为米级孔径MWIR系统的实现提供了理论依据。当前重建算法在单GPU上已接近实时性能，通过多GPU并行化有望满足高动态应用需求。未来挑战在于子孔径间的精密对准以及超构透镜的耐久性提升。这项工作标志着轻量化高性能MWIR远距离成像系统向实用化迈出了关键一步。