UCLA和博通合作实现单向成像，为计算光学铺路

一种新型多层衍射光学处理器可以阻挡一个方向的图像，同时使另一个方向的图像通过。

加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 和博通 (Broadcom) 的研究人员开发出一种可见光谱成像仪，它可以实现传统光学器件无法实现的单向成像。该平台采用新颖的纳米制造工艺和基于深度学习的设计，标志着首个用于宽带单向成像的晶圆级多层衍射光学处理器的诞生，有望为安全成像、紧凑型多光谱相机和计算光学领域的实际应用铺平道路。

这一突破的显著优势不仅在于其背后的物理原理，还在于其规模。该成像仪采用与标准半导体制造兼容的光刻技术制造，将单向视觉的概念从实验室规模的演示阶段推向了量产阶段。

该器件采用高纯度熔融石英制造，具有高透明度和热稳定性，通过堆叠纳米图案衍射层来调制多个平面上的光线，实现了强大的方向选择性。最终，该系统能够从一侧传输图像，同时从另一侧进行图像扭曲或抑制，而这仅靠传统光学器件是无法实现的。

成像控制的新视角

历史上，衍射光学在成像和计算领域的应用一直受到制造工艺限制的制约。大多数现有实现方案在红外光谱范围内工作，或依赖于单层二维超表面，这限制了性能和设计灵活性。

加州大学洛杉矶分校-博通团队通过开发一种高分辨率多层制造策略，克服了这些限制，该策略能够产生致密、对偏振不敏感的纳米级特征，这些特征对于可见光波长而言足够精细。同样重要的是，这些特征并非手工制作，而是通过机器学习进行优化，利用深度神经网络对多个堆叠光学层进行逆向设计。

在标准光学系统中，光线对称地穿过透镜，这意味着反转方向会产生基本相同的图像路径。但这款新型成像仪打破了这种对称性。在测试中，它展示了从指定输入视场到输出的清晰图像传输，而反向传播的图像质量则显著下降或混乱。这为新型光学隐私技术打开了大门，使摄像头、传感器甚至AR/VR显示器能够“看到外面”，同时阻止外部观察。

采用晶圆级多层衍射光学处理器制造的宽带单向可见光成像仪示意图。

规模化生产

这种方法的成功不仅取决于光学设计，也取决于工艺工程。通过采用与半导体工作流程相一致的光刻技术，该团队实现了实验光学领域罕见的可重复性和可扩展性。这些技术包括对准容错层堆叠和在基板上进行高纵横比蚀刻，同时最大程度地降低光学损耗。除了扩展设计空间外，使用商业上可行的材料和工艺还可以实现与现有光电平台（例如CMOS图像传感器或AR微显示器）的晶圆级集成。

多层设计还有助于缓解衍射光学器件中常见的权衡问题，特别是限制早期超表面设计的窄光谱带宽和高偏振灵敏度。相比之下，该系统可在可见光谱的宽范围内工作，同时无论输入光偏振如何都能保持成像质量。这种稳健性对于从移动设备到自主传感系统等实际应用至关重要。

下一步计划

这项研究可能为新型光学处理器打开大门，这些处理器可以被动执行计算成像任务，而无需数字后处理。潜在的应用包括紧凑型高光谱成像仪、定向光学隔离器以及用于传统成像可能带来隐私或安全风险的环境的安全传感平台。由于该系统可以在标准晶圆上批量生产，因此也为工业规模化生产提供了一个有吸引力的选择。

通过将基于深度学习的光学设计与半导体制造相结合，加州大学洛杉矶分校和博通团队有效地将物理学的创新成果转化为切实可行的组件。如果实现商业化，它将为寻求重新构想设备视觉的工程师提供一个全新的工具。