[論文レビュー] Imaging over an unlimited bandwidth with a single diffractive surface

Sourangsu Banerji, Monjurul Meem+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 29被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、像面位相を自由パラメータとして扱うことで、450 nm から 850 nm まで広帯域にわたり実験的に検証された、1つのマルチレベル効果的レンズ（MDL）が、ほぼ無限大の帯域幅で色収差を補正できることを示している。MDLは最小限の収差で高性能な像形成を実現し、従来の複数表面による色収差補正に代わる、薄型軽量な光学系の実現を可能にする。

ABSTRACT

It is generally thought that correcting chromatic aberrations in imaging requires multiple surfaces. Here, we show that by allowing the phase in the image plane of a flat lens to be a free parameter, it is possible to correct chromatic aberrations over an almost unlimited bandwidth with a single diffractive surface. Specifically, we designed, fabricated and characterized a flat multi-level diffractive lens (MDL) that images at the wavelengths from 450nm to 850nm. We experimentally characterized the focusing efficiency, modulation-transfer function, wavefront aberrations, vignetting, distortion and signal-to-noise ratio performance of a camera comprised of this MDL and a conventional image sensor. Further, we designed two MDLs with operating wavelengths from 500nm to 15μm, and from 2μm to 150μm, respectively. With no apparent limitation in the operating bandwidth, such flat lenses could replace multiple refractive surfaces that are traditionally required for chromatic corrections, leading to thinner, lighter and simpler imaging systems with bandwidth limited primarily by the quantum efficiency of the sensor.

研究の動機と目的

• 色収差補正には複数の光学表面が必要であるという長年の前提を覆すこと。
• 1つの効果的表面が、最小限の色収差および波面収差を伴う広帯域像形成を達成できるかどうかを検討すること。
• 広帯域スペクトル範囲で動作可能なマルチレベル効果的レンズ（MDL）の設計および実験的検証を行うこと。
• 実際のシステムにおける焦点効率、モード変換関数（MTF）、信号対雑音比（SNR）などの像形成性能指標を特徴づけること。
• この手法のスケーラビリティを示すために、長波長（最大15 µmおよび150 µm）への応用を拡張すること。

提案手法

• 設計プロセスにおいて、像面の位相プロファイルを自由パラメータとして扱い、広帯域色収差補正の最適化を可能にする。
• リソグラフィー技術を用いて、広帯域にわたり必要な複雑な位相調制を実現するマルチレベル効果的レンズ（MDL）を製造する。
• 従来のイメージセンサーと統合することで、実験的検証用の完全な像形成システムを構築する。
• 焦点効率、モード変換関数（MTF）、波面収差、ヴィニェティング、歪度、信号対雑音比（SNR）などの性能指標を実験的に測定する。
• 可視光を超える長波長領域への応用を示すために、500 nm から 15 µm、および 2 µm から 150 µm の動作を想定した理論的設計を展開する。
• 逆光学の原則を活用し、色収差および単色収差の両方を最小限に抑える位相プロファイルの共同最適化を行う設計手法を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの効果的表面が、任意に大きな帯域幅で色収差を補正できるか？
• RQ2 可視光および近赤外波長領域において、1つのMDLの焦点効率、MTF、波面誤差の性能はいかほどか？
• RQ3 1つのMDLを用いた像形成システムは、従来の複数表面システムと比較して、収差およびSNRの点でどのように異なるか？
• RQ4 この設計は、中赤外および遠赤外波長領域までどの程度まで拡張可能か？
• RQ5 このようなレンズが実世界の像形成システムにおいて直面する実用的制限は何か？

主な発見

• 製造されたMDLは、450 nm から 850 nm の範囲で、低波面収差および高焦点効率を達成して像形成に成功した。
• モード変換関数（MTF）は、可視光および近赤外領域全域で高い水準を維持しており、優れた分解能性能を示している。
• 逆設計により波面収差が最小限に抑えられ、広帯域範囲でほぼ回折限界性能を達成した。
• ヴィニェティングおよび歪度は低く抑えられ、信号対雑音比（SNR）は主にセンサーの量子効率に制限されていた。
• 500 nm から 15 µm、および 2 µm から 150 µm の動作を想定した理論的設計は、帯域制限が顕著に見えず、長波長領域へのスケーラビリティを示唆している。
• 本結果は、1つの効果的表面が、従来、色収差補正に必要とされてきた複数の屈折素子に代わることを実証している。