[論文レビュー] Beating bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics

Johannes E. Fröch, Praneeth Chakravarthula+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2024

Photonic and Optical Devices被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、1 cm開口、f/2のフラットメタ光学素子を用いた共設計の計算再構成とデュアル開口訓練法により、可視域での広帯域・高品質な映像を実現するフラットメタ-opticを示す。

ABSTRACT

Flat optics have been proposed as an attractive approach for the implementation of new imaging and sensing modalities to replace and augment refractive optics. However, chromatic aberrations impose fundamental limitations on diffractive flat optics. As such, true broadband high-quality imaging has thus far been out of reach for low f-number, large aperture, flat optics. In this work, we overcome these intrinsic fundamental limitations, achieving broadband imaging in the visible wavelength range with a flat meta-optic, co-designed with computational reconstruction. We derive the necessary conditions for a broadband, 1 cm aperture, f/2 flat optic, with a diagonal field of view of 30° and an average system MTF contrast of 30% or larger for a spatial frequency of 100 lp/mm in the visible band (> 50 % for 70 lp/mm and below). Finally, we use a coaxial, dual-aperture system to train the broadband imaging meta-optic with a learned reconstruction method operating on pair-wise captured imaging data. Fundamentally, our work challenges the entrenched belief of the inability of capturing high-quality, full-color images using a single large aperture meta-optic.

研究の動機と目的

• Chromatic aberrationsに抗しつつ広帯域・高品質な大開口フラット光学の開発を動機づける。
• 指定された視野とMTFターゲットを持つ広帯域、1 cm開口、f/2フラット光学の設計条件を導出する。
• 同軸双開口セットアップからのペア撮像データを用いた学習ベースの再構成パイプラインを示す。
• 共設計と計算によって単一の大開口メタ光学で高品質のフルカラー撮影が可能であることを示す。

提案手法

• 大開口フラット光学（1 cm、f/2）の広帯域性能に必要な条件を導出する。
• 計算再構成パイプラインとメタ光学を共設計して色収差を補償する。
• 同軸、デュアル開口訓練構成を用いて学習用のペア撮像データを取得する。
• 捉えた画像ペアに基づいて動作する学習再構成法を訓練して広帯域撮影を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の大開口フラットメタ光学が可視域で広帯域・高品質な撮影を達成できるか？
• RQ2 大開口フラット光学の色収差を克服するために必要な設計と計算戦略は何か？
• RQ3 デュアル開口セットアップからのペア撮像データをどのように活用して広帯域撮影の頑健な再構成を訓練するか？
• RQ4 共設計された光学系と計算によって達成可能な性能目標（MTF、視野）は何か？

主な発見

• 広帯域、1 cm開口、f/2の平面光学が30°対角視野で実現可能である。
• 平均システムMTFコントラスト目標は100 lp/mmで少なくとも30%、70 lp/mm以下で50%以上。
• 同軸デュアル開口訓練スキームはペア撮像データを用いた学習ベースの再構成を可能にする。
• メタ光学と再構成の共設計により、大開口メタ光学でのフルカラー撮影に長年の制約を克服する。