[論文レビュー] Quantitative Phase Imaging with a Metalens

Aamod Shanker, Johannes Froech+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Optical measurement and interference techniquesComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、複数のフォーカス面におけるスペクトル多重化を用いた1ショット型位相再構成を可能にする、クロマティックな窒化ケイ素メタレンズを用いたコンactなファイバーティップ内視鏡的定量的位相イメージングシステムを提示する。メタレンズは外部フィルターや機械的走査を用いずに280°の視野角で0.1λの位相感度を達成し、従来のQPIシステムの主な制限を克服する。

ABSTRACT

Quantitative phase imaging (QPI) recovers the exact wavefront of light from the intensity measured by a camera. Topographical maps of translucent microscopic bodies can be extracted from these quantified phase shifts. We demonstrate quantitative phase imaging at the tip of an optical fiber endoscope with a chromatic silicon nitride metalens. Our method leverages spectral multiplexing to recover phase from multiple defocus planes in a single capture. The half millimeter wide metalens shows phase imaging capability with a 280 field of view and 0.1λ sensitivity in experiments with an endoscopic fiber bundle. Since the spectral functionality is encoded directly in the imaging lens, no additional filters are needed. Key limitations in the scaling of a phase imaging system, such as multiple acquisition, interferometric alignment or mechanical scanning are completely mitigated in the proposed scheme

研究の動機と目的

• ファイバーオプティクスプラットフォームと互換性を持つ小型化された内視鏡的定量的位相イメージングシステムの開発を目的とする。
• QPIにおける従来の制限、例えば複数回の撮影、干渉計のアライメント、機械的走査の回避を目的とする。
• 統合されたスペクトル多重化機能を持つ1つの光学素子を用いて、高感度位相イメージングを実現することを目的とする。
• コンactなメタレンズを用いて、光ファイバータイプの先端で位相イメージングの性能を実証することを目的とする。

提案手法

• 異なる波長を異なる軸方向位置に同時に集光できるように、光ファイバー先端にクロマティックな窒化ケイ素メタレンズをフォーマリングする。
• スペクトル多重化を用いて、1回のカメラ露出で複数のフォーカス面における位相情報を符号化する。
• メタレンズの波長依存位相プロファイルにより、追加のフィルターを必要とせず、強度測定から波面を直接回復できる。
• メタレンズの既知のスペクトル応答と1回の撮影による強度データを用いて逆問題を解くことで、位相再構成を達成する。
• メタレンズの固有のクロマティック分散を活用してフォーカスの多様性を符号化し、定量的位相再構成を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバータイプの先端に統合されたメタレンズが、外部部品を必要とせず1ショット型の定量的位相イメージングを可能にするか。
• RQ2 クロマティックメタレンズのスペクトル多重化機能が、複数のフォーカス面における位相再構成をどのように支援するか。
• RQ3 内視鏡的QPIに用いるファイバー統合メタレンズの実現可能な位相感度と視野角はどの程度か。
• RQ4 メタレンズを用いたアプローチにより、機械的走査や干渉計のアライメントの必要性をどの程度低減できるか。
• RQ5 コンパクトでワンピース構造のレンズ設計が、従来のQPIシステムと同等の性能を達成できるか。

主な発見

• メタレンズは0.1λの位相感度を達成し、高精度な位相測定能力を示した。
• 本システムは280°の視野角を提供し、ファイバータイプ先端でワイドフィールドの定量的位相イメージングを可能にした。
• 追加のフィルター、機械的走査、干渉計のアライメントを一切不要とし、1ショット型の位相再構成を達成した。
• メタレンズのクロマティック分散を活用してフォーカスの多様性を符号化し、1枚の強度画像からも頑健な位相再構成を実現した。
• 手法はレンズに完全に統合されており、外部光学部品の必要性を排除した。