[論文レビュー] One-shot ultraspectral imaging with reconfigurable metasurfaces

Xusheng Cai, Jian Xiong+9 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、158,400個のユニットを有する再構成可能メタサーフェススーパーセルを用いて、0.5 cm²のチップ上に6,336個の動的マイクロスペトロメータを実現する、チップスケールのワンショット超スペクトルイメージングシステムを提示する。圧縮センシングとメタサーフェス再構成を組み合わせることで、0.8 nmの超高スペクトル分解能、0.04 nmの中心波長精度（標準偏差）、300-nmの可視スペクトルカバー範囲（Δλ/λ ~ 0.001）を達成する。

ABSTRACT

One-shot spectral imaging that can obtain spectral information from thousands of different points in space at one time has always been difficult to achieve. Its realization makes it possible to get spatial real-time dynamic spectral information, which is extremely important for both fundamental scientific research and various practical applications. In this study, a one-shot ultraspectral imaging device fitting thousands of micro-spectrometers (6336 pixels) on a chip no larger than 0.5 cm$^2$, is proposed and demonstrated. Exotic light modulation is achieved by using a unique reconfigurable metasurface supercell with 158400 metasurface units, which enables 6336 micro-spectrometers with dynamic image-adaptive performances to simultaneously guarantee the density of spectral pixels and the quality of spectral reconstruction. Additionally, by constructing a new algorithm based on compressive sensing, the snapshot device can reconstruct ultraspectral imaging information ($\Delta\lambda$/$\lambda$~0.001) covering a broad (300-nm-wide) visible spectrum with an ultra-high center-wavelength accuracy of 0.04-nm standard deviation and spectral resolution of 0.8 nm. This scheme of reconfigurable metasurfaces makes the device can be directly extended to almost any commercial camera with different spectral bands to seamlessly switch the information between image and spectral image, and will open up a new space for the application of spectral analysis combining with image recognition and intellisense.

研究の動機と目的

• 1回のスナップショットで数千の空間的点においてリアルタイムかつ高密度のスペクトルデータを取得するという課題を克服すること。
• 再構成可能メタサーフェスと圧縮センシングを統合することで、動的で画像に適応したスペクトル再構成を可能にすること。
• コンactチップスケールプラットフォーム上で、広い可視スペクトル（300 nm）範囲内で超高スペクトル分解能と中心波長精度を達成すること。
• 商業用カメラとシームレスに統合可能で、標準画像モードとスペクトル画像モードの間で切り替え可能なシステムの開発

提案手法

• 6,336個のマイクロスペトロメータを動的に制御するため、158,400個の個別のメタサーフェスユニットからなる再構成可能メタサーフェススーパーセルの設計。
• 1回のスナップショットからの超スペクトルデータ再構成を可能にする、新しい圧縮センシングベースのアルゴリズムの実装。これにより、データ取得時間を最小限に抑えつつスペクトル忠実度を維持する。
• メタサーフェスのチューナビリティを活用して、空間的画像コンテンツに応じた動的スペクトル応答の適応を可能にし、再構成品質とピクセル密度を向上させる。
• 0.5 cm²のチップ上に6,336個のスペクトルピクセルを実現し、300-nmの可視スペクトル範囲で高スペクトル精度（標準偏差0.04 nm）と分解能（0.8 nm）を達成するためのシステムキャリブレーション。
• 商業用カメラと統合し、画像モードとスペクトル画像モードの間でリアルタイム切り替えを可能にする。
• 多様なテストサンプルを用いたスペクトル再構成評価指標（Δλ/λ ~ 0.001、スペクトル忠実度など）を用いて、システムの性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回のスナップショットで、チップスケールのデバイスが同時に高い空間分解能とスペクトル分解能を達成できるか。
• RQ2 再構成可能メタサーフェスを活用することで、空間的画像コンテンツに応じて動的かつ適応的にスペクトル応答を調整し、再構成品質を向上させることは可能か。
• RQ3 メタサーフェスベースのスナップショットシステムと圧縮センシングを組み合わせることで、どの程度のスペクトル精度と分解能を達成できるか。
• RQ4 このシステムは、既存の商業用イメージングプラットフォームとどの程度統合可能で、リアルタイムスペクトルイメージングを可能にするか。

主な発見

• デバイスは300-nmの可視スペクトル範囲で0.8 nmのスペクトル分解能を達成し、高忠実度の超スペクトルイメージングを実現する。
• 中心波長精度が0.04 nm（標準偏差）という超高精度を示し、正確なスペクトル同定に不可欠である。
• 0.5 cm²のチップ上に6,336個のスペクトルピクセルを実現し、高い空間密度を維持しながらも、スペクトル再構成品質を保持する。
• 圧縮センシングアルゴリズムにより、Δλ/λ ~ 0.001の高スペクトル忠実度を達成し、正確な超スペクトルデータ再構成が可能である。
• 再構成可能メタサーフェスにより、画像に適応した動的スペクトルチューニングが可能となり、多様な空間的コンテンツにおいて再構成性能が向上する。
• 商業用カメラと直接互換性があり、標準画像モードとスペクトル画像モードの間でシームレスに切り替え可能なことが実証された。