[論文レビュー] Diffractive flat lens enables Extreme Depth-of-focus Imaging

Sourangsu Banerji, Monjurul Meem+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Optical Coatings and Gratings参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、焦点面における位相プロファイルを設計することで、従来のレンズよりも4桁以上広い焦点深度を実現するマルチレベル効果レンズ（MDL）を提案している。MDLは5 mmから1500 mmまでの距離で回折限界の焦点を維持し、最小限のビーム拡散とサイドローブの抑制を伴って6メートルの範囲で高品質な像を形成できる。

ABSTRACT

A lens performs an approximately one-to-one mapping from the object to the image planes. This mapping in the image plane is maintained within a depth of field (or referred to as depth of focus, if the object is at infinity). This necessitates refocusing of the lens when the images are separated by distances larger than the depth of field. Such refocusing mechanisms can increase the cost, complexity and weight of imaging systems. Here, we show that by judicious design of a multi-level diffractive lens (MDL) it is possible to drastically enhance the depth of focus, by over 4 orders of magnitude. Using such a lens, we are able to maintain focus for objects that are separated by as large as ~6m in our experiments. Specifically, when illuminated by collimated light at lambda=0.85mm, the MDL produced a beam that remained in focus from 5mm to ~1500mm from the MDL. The measured full-width at half-maximum of the focused beam varied from 6.6um (5mm away from MDL) to 524um (1500mm away from MDL). Since the sidelobes were well suppressed and the main-lobe was close to the diffraction-limit, imaging with a horizontal X vertical field of view of 20deg x 15deg over the entire focal range was demonstrated. This demonstration opens up a new direction for lens design, where by treating the phase in the focal plane as a free parameter, extreme depth-of-focus imaging becomes possible.

研究の動機と目的

• 従来のレンズが狭い焦点深度のため、被写体がその範囲外にあると再焦点が必要となる根本的制限を克服すること。
• 焦点深度を著しく拡大することで、像形成システムにおける機械的焦点調整機構を排除すること。
• 焦点面における位相を自由設計パrameterとして扱うことで、極めて広い焦点深度の像形成が可能であることを示すこと。
• 可動部のない単一の静的レンズを用いて、広い軸方向範囲で高品質な像形成を達成すること。
• 0.85 mm波長の平行光照射下で実用的かつ実装可能なMDLを用いて、極めて広い焦点深度の像形成の実現可能性を検証すること。

提案手法

• 軸方向に焦点スポットの進化を制御できるように、空間的に設計された位相プロファイルを持つマルチレベル効果レンズ（MDL）を設計する。
• 逆設計の原則を用いて、焦点スポットが広い軸方向範囲にわたりきめ細かく焦点を保つように位相分布を最適化する。
• 連続的位相関数を近似する4段階のバイナリ位相プロファイルを実装し、所望の波面変調を達成する。
• λ = 0.85 mm の平行光でMDLを照射し、遠方像形成の条件を模擬する。
• 検出器を用いて光学軸に沿ったビームプロファイルを測定し、半値全幅（FWHM）とサイドローブレベルを測定する。
• 5 mmから1500 mmまでの距離に配置された被写体の像を、単一のレンズ構成で撮影することで、像形成性能を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.5メートルを超える軸方向範囲で回折限界の焦点を維持できるように効果レンズを設計できるか？
• RQ2 焦点面における位相分布を操作することで、焦点深度をどの程度拡大できるか？
• RQ3 可動部のない単一の静的レンズが、6メートルの軸方向範囲で高精細な像形成を達成できるか？
• RQ4 このような極めて広い焦点深度のレンズにおいて、軸方向に沿ってビームスポットサイズとサイドローブレベルはどのように変化するか？
• RQ5 平面的で軽量かつコンactなレンズを用いて、広い焦点深度範囲で高解像度の像形成が可能か？

主な発見

• MDLは5 mmから約1500 mmまでの焦点深度を実現し、6メートルの軸方向範囲をカバーした。
• 焦点ビームの半値全幅（FWHM）は、5 mmでは6.6 µmから1500 mmでは524 µmにまで拡大したが、制御されたゆっくりとしたビーム拡大を示した。
• サイドローブは良好に抑制されており、焦点範囲全体で高いコントラストと最小限の像質劣化が確保された。
• 水平×垂直の視野角20°×15°の像形成が、全1500 mm範囲で成功裏に実証された。
• 主ローブは理論限界に近く、高品質な光学性能が確認された。
• 従来のレンズと比較して、焦点深度が4桁以上向上した。