【EXTREME】DARPA、NGA将新型光学技术过渡到可实际应用的原型机上

超材料是由比工作波长小得多的单元组成的，可以对光进行更多的操纵。超材料的早期例子被用来设计和建造多功能元件，它们似乎违背了标准的反射和折射“定律”。这些元件的效率有限，而且尺寸小于一毫米，因此无法将其集成到光学系统中。2016年，美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了“极限光学与成像”（EXTREME）项目，通过提高基于超材料的透镜的效率来应对这些挑战，将其孔径扩大到厘米级，开发出减少光学像差影响的方法，并探索新的光学设计空间和相关的尺寸、重量和功率（SWaP）的权衡，由这种金属透镜提供。

作为DARPA国防科学办公室（DSO）的一项基础研究项目，EXTREME项目利用工程光学材料或超材料成功开发了新的光学元件、设备、系统、架构和设计工具。多个研究团队在项目牵引下开发了基于厘米级超材料的光学器件（超光学）和设计工具。该项目很快就能使传统光学系统的SWaP特性得到革命性的改善，并能从一个镜头中实现多种成像应用。在该项目下开发的具有新型光学特性的材料正在为美国政府和军事成像系统提供新的能力。

2018年，DARPA与国家地理空间情报局（NGA）的研究部合作，将元光学概念过渡到无人驾驶航空系统（UAS）的光学系统。这项NGA Metalenses项目资助空军研究实验室（AFRL）进行多厘米元光学的开发和表征，资助海军研究实验室（NRL）进行体积三维元材料成像能力，并资助桑迪亚国家实验室（SNL）进行大规模金属建模和优化。

据DARPA国防科学办公室负责EXTREME的项目经理罗希思·钱德拉塞卡（Rohith Chandrasekar）介绍：“通过NGA的努力，AFRL利用EXTREME技术开发了独特的能力，以表征新型超光学器件的光学性能，并对如何将其集成到一个完整的成像系统中提出了新的见解。这项工作也得到了桑迪亚国家实验室MIRAGE工具的支持，该工具是在DARPA EXTREME和NGA Metalenses项目下开发的一种首创能力，它利用对称性来实现大规模金属网设计和优化，以满足性能指标。”

上述EXTREME技术现在正从NGA过渡到AFRL的颠覆性能力育苗计划（SDCP）下。通过SDCP，AFRL各局与工业界合作，满足美国空军未来战略的关键需求。EXTREME技术正被应用于几个SDCP项目中，包括集成紧凑型电光（EO）/红外（IR）系统（ICES）、XQ-58“女武神”实验性隐形无人作战飞行器，以及“管状发射无人机系统”（ALOBO）的空中发射作业计划。

ICES正在利用EXTREME项目下的发现，在低成本平台上安装多功能传感器，如无人机系统，以部署在有争议的环境中。与传统平台相比，这些较小的平台具有更严格的体积限制和重量限制，因此增加一个新的传感器通常需要移除现有的传感器。用于EO/IR能力的紧凑型金属透镜和平面光学器件的引入打乱了营运空间，有可能在一个平台上实现多个传感器，从而提高能力。

AFRL正在依靠EXTREME技术来修改两个开发平台上的EO/IR系统：XQ-58和ALOBO。对于XQ-58，AFRL正在寻求减少现有传感器的体积，以便为额外的传感器腾出空间。对于ALOBO，AFRL正在改造兼容管状发射的万向节系统。DARPA和NGA在光学方面的进展使AFRL能够为万向节实现新的营运空间，在保持现有性能的同时将SWaP降低10倍，或者在现有SWaP要求下将分辨率提高4倍。

据AFRL航空系统局的ALOBO团队领导保罗·弗莱茨（Paul Fleitz）介绍：“我们与DARPA和EXTREME项目的研究团队的紧密合作使我们能够迅速熟化和演示验证光学系统的新技术，这提高了成像系统的性能，以满足未来系统的需求，而传统的光学技术无法满足性能或成本要求。将EXTREME项目下开发的这项技术和设计工具转移到AFRL SDCP计划中，极大地加快了这项技术的开发和演示验证，提高了开发项目的影响力。”

EXTREME是DARPA、NGA和AFRL之间成功合作的一个重要例子，它提供了从基础研究到可实用的下一代技术的快速过渡，以支持作战人员。

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