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#超表面 #光栅 #衍射光栅 #纳米压印 #微纳光学 #步进式光刻 #DOE 

摘要

我们提出了一种宽带且对偏振不敏感的单向成像器，操作于可见光谱范围内，其中图像形成发生在一个方向，而在相反方向则被阻断。这一方法得益于深度学习驱动的衍射光学设计，通过使用高纯度熔融石英进行晶圆级纳米制造，确保了光学透明性和热稳定性。我们的设计实现了跨越三个可见波长（涵盖红色、绿色和蓝色部分光谱）的单向成像，并通过实验验证了该宽带单向成像器，通过在前向方向上创建高保真图像，并在后向方向生成弱且扭曲的输出模式，这与我们的数值模拟结果一致。此项工作展示了衍射光学处理器的晶圆级生产，具有16级纳米级相位特征，分布在两个轴向对齐的衍射层上，适用于可见光单向成像。这一方法促进了每个晶圆大约5亿个纳米级相位特征的规模化生产，支持数百至数千个多层衍射处理器的高通量制造，适用于大孔径和多任务并行处理。除了在可见光谱中的宽带单向成像外，本研究为人工智能驱动的衍射光学技术提供了一条路径，具有广泛的应用前景，标志着光学设备功能进入了一个新纪元，具备了工业级、可大规模生产的制造能力。

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文章名：Broadband unidirectional visible imaging using wafer-scale nano-fabrication of multi-layer diffractive optical processors

作者：Che-Yung Shen1,2,3, Paolo Batoni4, Xilin Yang1,2,3, Jingxi Li 1,2,3, Kun Liao 1, Jared Stack4, Jeff Gardner4,Kevin Welch4 and Aydogan Ozcan 1,2,3✉

单位：

ElectricalandComputerEngineeringDepartment,UniversityofCalifornia,Los 

Angeles,CA90095,USA  

BioengineeringDepartment,UniversityofCalifornia,LosAngeles,CA90095,

引言

深度学习正在通过推动光学系统的逆向设计，改变光学工程领域。例如，深度学习驱动的衍射光学元件（DOE）的逆向设计已促成了空间工程衍射层的发展，形成了各种衍射光学处理器架构，在这些架构中，多层衍射结构共同执行不同的目标功能。这些衍射处理器由具有波长级特征的级联层组成，可以精确调制光场，以实现广泛的高级任务，包括定量相位成像、全光相位共轭、图像去噪、光谱滤波和类别特定成像等。另一例子是超表面，它利用深亚波长特征来实现定制的光学响应，能够精确控制光的各种属性，包括相位、偏振、色散和轨道角动量。这些空间工程表面的创新代表了光学信息处理的重大进展，推动了多种应用的发展，包括波束偏转、全息、空间高效光学计算和智能成像等。

尽管衍射光学处理器和超材料具有巨大的潜力和新兴用途，但由于在三维衍射架构中制造纳米级特征的挑战，大多数这些演示仍然局限于二维实现和较长的波长。诸如双光子聚合方法和电子束光刻（EBL）工艺等纳米制造技术，使得近红外和可见光谱的微米或纳米级多层衍射设计成为可能。然而，这些设计存在材料吸收、有限的制造区域、每个调制元件的相位位深度受限以及三维对准挑战等问题，导致在可见光谱中进行更复杂应用时的自由度有限。据我们所知，之前没有报告过在可见波长下，晶圆级可扩展制造的多层衍射表面的示范。

在这里，我们展示了用于可见光谱宽带单向成像的多层衍射光学处理器，采用工业级晶圆光刻技术。值得注意的是，我们的设计具有可扩展制造的两层衍射光学处理器，专门为可见光谱设计，且每个衍射纳米级特征实现了16级相位深度。该全光衍射处理器使得仅在一个方向上形成可见图像——将输入视场（FOV）A的图像传输到输出视场（FOV）B，同时在反向方向（B→A）阻挡并扭曲图像的形成。这项工作代表了可见光谱中宽带单向成像的首次示范，通过使用深度学习优化的纳米级、偏振不敏感和透明的衍射特征实现。

我们通过实验验证了我们的两层衍射处理器在三个波长下的单向成像能力：467.5 nm、525 nm和627.5 nm，分别对应蓝色、绿色和红色。该单向成像器成功地在前向方向上创建了图像，而反向方向的图像信息在所有三个照明波长下都被阻挡和扭曲，这与我们的数值模拟结果非常一致。我们还通过模拟和实验展示了，尽管只在三个窄光谱带上进行了训练，但该衍射成像器在大范围波长上仍然能够成功传输单向图像，展现出作为宽带单向成像器的鲁棒性。

我们的3D纳米制造方法支持在同一晶圆上可扩展、高通量地制造数亿个相位特征，使其适用于大视场操作和大孔径上的并行多任务处理。结合使用高纯度熔融石英（HPFS）——其具有极低的能量损失和卓越的热稳定性——这一进展使得复杂的衍射处理成为可能，并使我们的多层设计适用于广泛的光学应用。由于我们的制造方法与半导体制造中使用的光刻工艺重叠，我们的衍射光学处理器设计可以与其他电子或光电设备单片集成。使用结构化材料进行衍射单向成像的潜在应用广泛，涵盖了安全、国防、电信和隐私保护等领域。这项研究为衍射光学处理器的应用开辟了新的途径，为智能成像和可见光传感器的先进、大规模解决方案铺平了道路。

图1 宽带单向可见光成像器的示意图，采用晶圆级制造的多层衍射光学处理器。

a. 单向成像器在前向方向（从视场A到视场B）再现图像，同时阻止反向方向（从视场B到视场A）的图像传输。

b. 优化衍射层的厚度轮廓以及在同一6英寸晶圆上制造的918个多层衍射设计的晶圆级制造。

c. 不同放大倍数下衍射层的扫描电镜（SEM）图像。

图2 宽带单向可见光成像器在不同照明波长下的盲测结果。
a. 使用图1b所示的两层单向成像器设计，前向方向和反向方向的衍射输出图像。
b. 衍射

结果

宽带单向成像器设计

图1a展示了我们的宽带单向成像框架的示意图，使用不同波长的空间相干光进行照明。该系统包括输入/输出视场（FOV）和一个由两个连续调制层构成的衍射成像单元，这些层是结构化的透射表面。每个衍射层由512 × 512个可训练的衍射特征组成，每个特征的横向尺寸为714纳米，厚度可调，提供覆盖0–2π的相位调制范围，适用于所有期望的照明波长。这两个透射层由高纯度熔融石英（HPFS）制成并连接，通过光的衍射将输入平面与第一个衍射层，以及第二个衍射层与输出平面连接；这种配置使得系统在轴向上紧凑，跨度约为2毫米。除了热稳定性外，选择HPFS还有其他几个关键优势。它具有很强的机械强度，耐磨损，化学惰性，并且能抵抗强酸和强碱，因此适用于恶劣环境。此外，HPFS以标准的半导体晶圆形式提供，双面光学抛光，便于与晶圆级制造工艺兼容。与传统的玻璃材料不同，HPFS是一种纯净的无定形SiO₂，能够通过标准化学工艺进行精确的干法刻蚀，而无需依赖晶体取向（有关细节，请参见“材料与方法”部分）。

宽带单向成像器处理多光谱输入对象{iw}的复合场，生成每个感兴趣波长（λw）下的输出复合场{ow}。所得的输出强度分布通过一个彩色互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器捕获，从而提供强度测量Ow。在前向方向，单向成像器准确地再现每个波长下对应的图像，即Ow = αw * Iw，其中Iw是输入对象的真实强度模式，αw是与波长相关的标量常数。在反向方向，当输入和输出视场反转时，单向成像器阻挡图像信息，产生扭曲的、能量降低的图案，在所有期望的照明波长下都发生这种情况。

我们的衍射单向成像模型通过误差反向传播和基于随机梯度下降的优化方法进行了优化，旨在最小化基于归一化均方误差（NMSE）、皮尔逊相关系数（PCC）和衍射效率的定制损失函数（L），这些指标计算了投影强度图像与其对应的真实图像在所有波长下的差异—无论是在前向还是反向方向（有关细节，请参见“材料与方法”部分）。为了实现可见光谱中的宽带单向成像能力，系统在每次训练迭代中使用随机采样的波长，范围为{627.5 ± 10 nm, 525 ± 18 nm, 467.5 ± 7.5 nm}。此外，这些宽带单向成像器的训练过程在不同波长的操作间进行了自适应平衡，以确保不同通道的非对称图像传输性能相似，而不会偏向任何特定波长通道，具体细节见“材料与方法”部分。基于深度学习的训练使用了MNIST图像数据集，优化后的衍射层，如图1b左侧所示，每个衍射调制元件有16个相位级别。

为了评估该单向成像器设计的宽带成像能力，我们对其在可见光谱中的光谱响应进行了数值分析，波长范围为[450–650] nm，并均匀采样200个测试波长。这一分析比较了两种衍射设计的单向成像性能：（i）图1中所示的两层单向成像器设计，（ii）一种三层成像器设计，增加了一个衍射层以增强光谱响应（见图S1）。后者设计除了衍射层数外，其它所有结构参数与前者的两层配置相同，并使用相同的训练图像数据集。在这里，三层成像器保持与图1a中所示的两层配置相同的层间轴向距离。因此，三层成像器的整体轴向深度相较于原来的两层成像器线性增加。为了评估这些宽带单向成像器的内部和外部泛化能力，我们数值测试了每个设计，使用了10,000个来自MNIST数据集和10,000个来自Fashion MNIST数据集的输入图像，这些图像在训练阶段未曾使用过。图2展示了这两种单向成像器设计所产生的输出图像示例。如图2a所示，两层衍射单向成像器成功地再现了前向图像，同时显著扭曲并阻挡了反向图像的形成，符合预期。这种不对称的图像传输在不同的输入数据集（包括MNIST和Fashion MNIST数据集）上保持成功，展示了单向成像器对不同类型输入对象的泛化能力。图2b所示的三层单向成像器设计实现了进一步的性能提升，不仅增强了前向图像的质量，还进一步抑制了反向方向的不需要的图像形成。

定量指标

图3 宽带单向可见光成像器的光谱响应。
a. 前向和反向方向的输出图像PCC值随照明波长的变化。
b. 前向和反向方向的衍射效率随照明波长的变化。虚线曲线表示图1b所示的两层单向成像器设计的性能，实线曲线表示图S1所示的三层单向成像器设计的性能。灰色区域标记了在衍射光学处理器训练过程中使用的照明波长。

图3中报告的定量指标进一步验证了这两种衍射单向成像器设计的性能。如图3a所示，使用两层成像器设计，在不同波长下，单向成像器始终保持有效的单向成像性能，在450–650 nm的测试照明光谱中，前向皮尔逊相关系数（PCC）值始终大于0.86，而反向PCC值则小于0.58。这种较浅的设计（具有2层衍射层）还展示了不对称的能量传输，在所有测试波长下，前向衍射效率大于28%，而反向衍射效率小于13%，如图3b所示。具有3层衍射的深层衍射单向成像器设计在这些指标上提供了显著的提升。如图3a所示，优化后的3层深层设计的前向PCC值提高到大于0.89，覆盖整个光谱，而反向PCC值降至小于0.33，显示出在抑制反向方向不需要的图像形成方面的显著改进。此外，图3b显示，前向衍射效率提高到大于30%，而反向效率降至小于10%，在整个测试波长范围内。这种前后方向性能的不对称性提高，突显了较深衍射处理器设计的优越能力，这些设计具有更多的自由度，从而增强了单向成像。

衍射效率在衍射光学处理器的实际应用中起着至关重要的作用。理解输出衍射效率与单向成像性能之间的权衡是这些设计的一个基本方面。为了系统地评估这种权衡，我们定义了一个性能指标（FOM），该指标结合了系统的前向（成像）和反向（阻挡）性能，通过考虑前向PCC与反向PCC的比率，以及前向和反向衍射效率的比率（如“材料与方法”部分所述）。这个FOM作为一个定量指标，用于评估不对称图像传输的整体性能。我们使用不同前向效率损失权重（α3）[0.0001, 0.0003, 0.0006, 0.0009, 0.0012]训练了新的衍射单向成像器设计，并比较了这些设计的FOM值以及前向衍射效率。在同一分析中，我们还通过比较不同衍射层数（K）的设计，考察了轴向深度的影响——特别是两层、三层和四层配置。结构参数和训练参数在“材料与方法”部分中有详细说明。我们的研究结果（见图S2）表明，增加前向能量惩罚有助于提高输出衍射效率，同时仅对单向成像性能产生轻微的减少。此外，四层（K = 4）设计的性能曲线始终优于三层（K = 3）和两层（K = 2）配置，突显了增加轴向深度在优化衍射效率和单向成像质量方面的优势。值得注意的是，K = 4设计在前向衍射效率达到81.2%，FOM值为2.69，而K = 2设计在相同的损失权重下，前向衍射效率为79.4%，FOM值为2.23。这些结果表明，具有适当能量优化的更深衍射架构不仅提高了能量传输——将更多的输入能量向前传导——还保持了良好的单向成像性能。通过增加额外的层数，可以在衍射效率和图像质量之间实现更优的平衡，使得多层设计在复杂高性能成像应用中具有特别的优势。

为了进一步验证我们衍射成像器的一般功能，我们评估了其在动态成像场景下的表现。具体来说，我们评估了该成像器在输入视场内不同横向偏移、方向和尺度下处理物体的能力（见图S3–S5），模拟了实际应用中遇到的不同成像条件。如输出示例所示，衍射成像器始终执行单向成像，在这些不同条件下，前向PCC值始终大于0.85，反向PCC值小于0.6。这些结果突显了我们衍射成像器的鲁棒性，表明它不仅限于特定物体类型或固定条件，而是作为一个通用的成像系统，在前向方向上有效地进行成像，同时在反向方向上有效阻止图像形成。这些发现进一步加强了我们衍射光学处理器在现实世界成像任务中的潜力，尤其是在物体位置、尺度和方向动态变化的情况下。

图4 衍射光学层的光刻制造过程。
a. 干法刻蚀与b. 湿法刻蚀的示意图。
c. 获取2级衍射表面的制造顺序。
d. 后续制造生成4级衍射表面。
e. 后续制造生成8级衍射表面。
f. 后续制造生成16级衍射表面。
c–f展示了使用二元光学模型（2^N）设计的16级衍射表面的概念性制造过程。

晶圆级宽带单向可见光成像器制造

图1b展示了专为宽带单向成像在可见光谱范围内设计的衍射光学处理器的晶圆级制造过程。我们还在图1b中突出展示了放大后的衍射层以及单个纳米级衍射特征。通过晶圆级制造，我们在单个晶圆上制造了918个多层衍射设计，展现了大约5亿个16相位级别的纳米级衍射特征。

为了详细阐述我们衍射单向可见光成像器的制造方法，首先展示了一个通用的制造过程，如图4所示，用于创建二进制架构，这种架构是衍射光学元件（DOE）的特征。该结构由离散的表面微观和纳米级“像素”组成，制造过程与在晶圆级制造半导体时使用的光刻工艺密切相关。首先，基板晶圆通过旋涂机涂上一层薄且均匀的光刻胶。旋涂过程至关重要，因为所得光刻胶层（通常几百纳米到几微米厚）直接影响后续的所有光刻和刻蚀步骤。我们制造过程中另一个关键要素是使用光掩膜，也称为掩模片。进一步说，光掩膜是一块由熔融石英或石英制成的板，通常是6英寸见方，表面覆盖着不透明、透明和/或相位偏移的区域。这些光掩膜区域的功能是阻挡、部分透过或完全透过紫外光辐射，以便将特定的图案投射到光刻胶层上。光掩膜的制作是通过投影曝光或直接写入将特定图案写入涂布了光刻胶的铬掩模基板上，在显影后通过刻蚀永久转印图像到铬膜中。重要的是，光掩膜与光刻胶没有直接接触，而是作为光学系统中的图像源—通过紫外线步进机或扫描仪将缩小的图像（通常为4×或5×缩小）投射到晶圆上。根据所需的最小尺寸，光刻胶可以使用光掩膜通过直接接触印刷（1×）或投影过程（如步进机或扫描仪，4×–5×）进行图案化。1×或4×–5×符号描述了光掩膜投射到晶圆上光刻胶层的图像的缩小比率。例如，如果光掩膜上的特征物理尺寸为20 µm，该特征将在4×缩小的情况下投射到光刻胶上，物理尺寸为5 µm。

在这项工作中，我们使用了投影光刻来制造我们的衍射设计，因为投影光刻所能获得的最小特征尺寸（约100纳米）远小于接触印刷（约1微米）所能实现的尺寸。使用合适的光掩膜曝光后，光刻胶会被显影并完全固化。然后通过刻蚀在基板表面形成永久图案，刻蚀会去除晶圆上的曝光区域。刻蚀是不可逆的步骤，是过程中的关键阶段。

为了制造不同的几何形状和垂直侧壁，干法刻蚀通常优于湿法刻蚀，后者使用液体化学反应的非晶材料。如图4a所示，干法刻蚀的优点在于它可以单向进行，意味着刻蚀在一个方向上具有较高的刻蚀速率，通常是垂直于基板表面的方向。这种干法刻蚀方法保持了特征的横向尺寸和形状。相反，如图4b所示，湿法刻蚀在每个方向上具有相同的刻蚀速率（各向同性）。这种各向同性通常会导致特征尺寸的扩展和边缘的圆滑，从而限制了制造结构的精度。鉴于这些特点，我们的制造过程采用了基于氯的干法刻蚀化学反应，以精确控制轴向深度。这种方法使我们能够在不改变衍射元件横向尺寸的情况下，生产出垂直的剖面，确保每个特征的结构完整性和光学性能。

我们在6英寸HPFS晶圆的两个对立表面上成功制造了16相位级别的衍射结构（请参见“材料与方法”部分）。这种架构可以通过重复2级设计概念来进行推广。在这种方法中，制造包括重复涂层、曝光、显影和刻蚀多个周期，每个周期使用不同的光掩膜。图4c–f展示了这个过程，展示了如何通过连续刻蚀更小的步骤，并通过精确的相对对准来逼近一个刻度结构。

每个步骤的尺寸完全由刻蚀时间控制，只要在特定操作条件下已知刻蚀速率。光刻胶的图案化是使用365 nm的紫外辐射完成的，辐射由i-Line紫外步进机提供，并通过投影过程使用不同的光掩膜。通过四次重复制造周期，每次使用不同的光掩膜，成功地在晶圆上制造了16相位级别的衍射表面。每次光掩膜投射都经过仔细对准，通过一系列连续的曝光在光刻胶层上组成复杂的图像。为了确保精确对准，使用了专门设计的对准标记，这些标记作为参考层印刷到基板表面，并包含在每一层中。这些对准标记作为后续曝光的空间参考，允许精确的层定位。它们可以是精密的光栅—由垂直线条组成，垂直于基板表面，或者它们也可以嵌入其他图案中，作为已知的图像参考。定制的对准传感器检测这些光栅或特殊标记，以确定基板的精确空间位置，确保在多个制造周期中一致性和精度。

图1b和c提供了数值优化的衍射厚度轮廓和实验制造层的详细视图。图1b显示了晶圆布局，约有1000个相同的衍射光学处理器设计，排列在同一6英寸晶圆上的二维阵列中。通过扫描电子显微镜（SEM）（图1c）和共聚焦显微镜（图S6）获得的高分辨率测量显示了轴向深度精度和横向分辨率的纳米级精度。为了评估制造的定量精度，刻蚀深度误差根据六西格玛和国际标准化组织（ISO）标准在晶圆上的测试结构上进行了测量。我们的单向成像器制造实现了在不同晶圆上的所有衍射设计中，刻蚀深度误差控制在3–5%以内，确保了性能的一致性。

我们用于多层衍射光学处理器的制造方法在多个关键方面超过了其他方法，如双光子聚合、光学傅里叶表面、树脂印刷和无掩膜灰度曝光等。它支持更大的横向区域，改善了轴向分辨率，并且具有16级相位深度，同时实现了晶圆级的多层制造。如表1所示，基于双光子聚合的最先进的3D打印制造出具有约400纳米的横向特征尺寸和约10纳米的最小轴向步长的多层衍射处理器，但其横向尺寸限制在<100微米，限制了其应用。类似地，使用电子束光刻（EBL）制造的光学表面展示了具有约20纳米最小轴向步长的单层衍射表面，但同样也限制在<100微米的横向尺寸。另一种使用树脂印刷的制造方法展示了具有4微米横向特征尺寸和约160纳米轴向步长的单层衍射表面，提供了8个厚度级别。而无掩膜灰度曝光则用于制造具有约3微米横向特征尺寸和约125纳米轴向步长的两层衍射处理器。相比之下，我们的方法展示了具有714纳米横向特征尺寸、约100纳米轴向步长和每个衍射特征16相位级别的能力。此外，它支持晶圆级的多层制造，每个晶圆上可容纳大约5亿个纳米级相位特征。这一能力确保了增强的重复性、精确的制造一致性和大规模生产的可扩展性，为可见光衍射光学处理器设立了新的标准。因此，这些综合优势支持比以前更加复杂和精确的设计。

图5 宽带单向可见光成像的实验装置。
a. 实验装置的示意图，包括可调激光光源、测试物体、制造的衍射层和图像传感器。
b. 实验装置的照片。

图6 宽带单向可见光成像的实验结果。
a. 实验测量的前向和反向方向的衍射输出，以及数值模拟的输出。
b. 三个照明波长下，实验测量的前向和反向方向的输出图像PCC值。
c. 三个照明波长下，数值模拟的前向和反向方向的输出图像PCC值。这些值是通过测试输出图像计算得出的，报告了均值和标准差，标准差以误差条的形式展示。

图7 不同偏振状态下单向可见光成像的实验结果。
在不同角度的线性偏振器放置在照明光源前时，实验测量的前向和反向方向的衍射输出图像。

宽带单向可见光成像器的实验验证

为了实验验证我们制造的宽带单向成像器，我们实现了一个包含可调激光光源、测试物体阵列（从未用于训练）、制造的多层衍射设计和彩色CMOS图像传感器的实验装置，如图5a所示。我们使用超连续光源来实现多光谱照明，并通过声光可调滤光片将每个光谱带滤波至约5纳米带宽。在实验中，我们使用了三个窄光谱线（约467.5 nm、525 nm和627.5 nm）来创建多色照明。对于测试物体，我们从MNIST数据集中制造了100个二进制透射图案，使用电子束光刻（EBL）技术（见“材料与方法”部分）。为了精确对准和多物体成像，我们使用了一个3D定位平台来调整样本的x-y-z位置。一个3D打印支架保持衍射层和传感器之间的500微米间距，旋转平台确保激光束与传感器的垂直对准。图5b展示了组装好的实验装置的照片。

如图6a所示，实验测量结果与我们的模拟结果高度一致。前向方向的输入图案在三个照明波长下成功再现，而反向方向的输入图案被显著抑制并扭曲，符合预期。通过PCC指标进行的定量性能评估，如图6b、c所示，在模拟中，前向PCC的平均值为0.889 ± 0.036，反向PCC的平均值为0.546 ± 0.041；而在我们的实验中，前向PCC的平均值为0.694 ± 0.052，反向PCC的平均值为0.435 ± 0.094，均在三个测试波长下进行测量。

为了进一步验证我们单向成像器的宽带能力，我们进行了使用多个波长的实验，覆盖可见光谱范围：[627.5 nm, 600 nm, 575 nm, 550 nm, 525 nm, 510 nm, 490 nm, 和467.5 nm]。如图S7所示的输出图像可视化结果，衍射单向成像器在所有这些照明波长下始终实现了几乎相同的不对称图像传输。这些实验结果进一步确认了衍射设计能够在可见光谱的宽范围内成功执行单向成像，进一步验证了其宽带操作的有效性。

此外，我们的单向成像器本身能够保持其功能，不受输入光的偏振状态影响，这得益于使用了高纯度熔融石英（HPFS）。为了实验验证该模型的偏振不敏感性，我们使用与图5中相同的实验装置，增加了一个线性偏振器，放置在光源和输入物体之间。在这些实验中，我们在不同角度范围内[0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°]改变偏振器的方向，同时测量输出图像。在这些实验中，输入照明的操作波长设置为525 nm。如图7所示，前向方向的输出图像在所有偏振角度下始终保持高质量，而反向方向的图像传输则被有效抑制。这些结果确认了我们单向成像器的偏振不敏感特性，确保了在不同偏振状态下的可靠和有效性能。

讨论

在这项工作中，我们采用单向成像作为测试平台，展示了晶圆级衍射光学处理器的可见光设计和功能，这些处理器在同一6英寸晶圆上制造了约5亿个相位特征，每个特征具有16个相位级别。尽管本工作中展示的衍射光学处理器本质上是互易的，单向成像效应是通过针对系统的非对称前向和反向点扩展函数（PSFs）的任务特定工程实现的。通过使用一个具有损耗的互易光学系统设计空间变化的PSF，我们的单向成像器设计确保了物体在前向方向生成清晰图像，而当照明光从反向方向传播时，输出图像被扭曲并抑制。此外，我们要强调的是，这种波长复用的衍射处理器中的每个介电特征基于材料厚度变化，使其能够同时调制所有在感兴趣波长范围内的光。这导致每个波长通道表现出不同的误差梯度，相对于其分配的光学转换。因此，跨多个照明波长对衍射层的优化偏离了单个波长的理想路径，从而实现了增强的宽带单向成像性能。重要的是，所展示的系统可以无缝适应多种应用，包括单向图像放大、分类和在非相干或部分相干照明下的操作。

实现实用衍射光学处理器的一个关键因素是控制输入/输出视场与衍射层之间在3D拓扑中的不对准。在不同表面上放置的连续层的对准标记与在单一表面上对准光掩膜有显著不同。实现双面对准——这是制造双面衍射成像器的关键——涉及一个更复杂和要求更高的过程。这可以通过透过基板材料成像对准过程，或通过从对面查看来完成，同时仔细减轻视差效应和工具引起的偏移，特别是在初次曝光和后续计量验证过程中。通常，定制设计的对准标记包括由精密光栅组成的图案——垂直于基板表面的垂直线条——或集成到其他图案中的标记，用作已知图像参考。定制对准传感器利用这些光栅或专用标记来确定层的对准。在我们的制造过程中，通过使用这些专用对准标记，我们将上下表面之间的横向不对准控制在<3微米。尽管残余不对准较小，但它仍可能影响我们宽带单向成像器的相位调制精度。来自这种不对准的性能退化通过应用疫苗策略得到了缓解。为了“疫苗化”衍射光学处理器，随机3D不对准在训练阶段通过光学前向模型进行建模，以便衍射处理器学习适应这些不完美。这种方法已被证明显著提高了衍射光学处理器对不对准和制造缺陷的鲁棒性，同样的策略也应用于图1和图6中报告的宽带单向成像器的实验验证（有关细节，请参见“材料与方法”部分）。此外，制造缺陷如厚度误差或像素间隙/壁也可能降低我们衍射成像器的成像性能。通过将随机像素误差和间隙变化纳入优化过程——类似于上述的疫苗策略——可以减轻这些缺陷的负面影响。

我们制造方法的一个关键优势是，它使我们的衍射处理器设计能够与电子组件无缝集成，通过使用硅光子学来最小化对准和热管理的挑战。这种片上集成的方法不仅提高了性能，还减少了混合系统的复杂性和占地面积。

总之，我们开发了一种在可见光谱中工作的宽带衍射单向成像框架，利用HPFS的卓越透明度和热稳定性。该系统在广泛的波长范围内展示了鲁棒性，并保持了对准容差。我们用于制造衍射光学处理器的晶圆级纳米制造技术使得大视场应用和多任务处理的可扩展性成为可能；它还允许与电子组件（如CMOS图像传感器）的无缝集成。这个衍射成像框架为使用被动光学元件在可见光谱中推进智能成像和传感应用提供了重要的前景。