[論文レビュー] Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens

Liu Li, Shuai Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Optical measurement and interference techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、空間的に多重化され、偏光・位相シフト付きの点像関数を生成する1層構造のメタレンズを用いた、1回露出で実現する決定論的複素振幅イメージングシステムを提案する。メタレンズと偏光カメラを組み合わせることで、1回の露出で4つの干渉パターンを同時に取得でき、反復アルゴリズムや事前知識を必要とせず、光場の完全な複素振幅再構成が可能である。非コherentなLED照明を用いて静的・動的物体の両方を対象とし、適合可能な倍率と視野を実現した。

ABSTRACT

Conventional imaging systems can only capture light intensity. Meanwhile, the lost phase information may be critical for a variety of applications such as label-free microscopy and optical metrology. Existing phase retrieval techniques typically require a bulky setup, multi-frame measurements, or prior information of the target scene. Here, we proposed an extremely compact system for complex amplitude imaging, leveraging the extreme versatility of a single-layer metalens to generate spatially-multiplexed and polarization-phase-shifted point spread functions. Combining the metalens with a polarization camera, the system can simultaneously record four polarization shearing interference patterns along both in-plane directions, thus allowing the deterministic reconstruction of the complex amplitude light field in a single shot. Using an incoherent light-emitting diode as the illumination, we experimentally demonstrated speckle-noise-free complex amplitude imaging for both static and moving objects with tailored magnification ratio and field-of-view. The miniaturized and robust system may open the door for complex amplitude imaging in portable devices for point-of-care applications.

研究の動機と目的

• 従来のイメージングシステムが強度しか捉えず、重要な位相情報が失われるという制限を克服すること。
• 位相再構成において、複数フレームの測定や大型装置、事前シーン知識を不要にする。
• ポータブルなアプリケーションに適した、小型化・耐障害性・決定論的な複素振幅イメージングシステムの開発。
• 1層構造のメタレンズの波面設計能力を活用し、空間多重化・偏光符号化された干渉パターンを実現すること。
• 非コherentな照明を用いて、静的および動的物体のスペックルノイズのないイメージングを実現すること。

提案手法

• 4つの異なる、空間的に多重化された点像関数を生成する1層構造のメタレンズを設計し、直交する偏光状態と位相シフトを実現する。
• メタレンズを偏光に敏感なカメラと組み合わせ、2つの直交方向における面内シアーに対応する4つの干渉パターンを同時に記録する。
• 記録された干渉パターンは、偏光依存の位相シフトを通じて、入射光場の振幅および位相情報を符号化する。
• 4つの記録パターンに決定論的再構成アルゴリズムを適用し、反復最適化や事前仮定を必要とせず、複素振幅場を回復する。
• システムは非コherentな発光ダイオード（LED）を光源として用い、動的シーンのスペックルノイズのないイメージングを可能にする。
• メタレンズおよび光学構成の設計により、倍率比と視野が調整可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1層構造のメタレンズを設計し、複数の位相シフト付き・偏光多重化された点像関数を生成することで、複素振幅イメージングが可能になるか。
• RQ2 メタレンズと偏光カメラのみを用いて、1回露出で決定論的複素振幅再構成が可能になるか。
• RQ3 非コherentな照明を用いて、動的物体のスペックルノイズのないイメージングが可能か。
• RQ4 コンパクトさと耐障害性の観点から、従来の複数露出または反復位相再構成技術と比較して、本システムの性能はいかがなものか。
• RQ5 本システムは小型化され、ポータブルな光学診断やポイント・オブ・ケア用途に適応可能か。

主な発見

• 反復アルゴリズムや物体に関する事前知識を必要とせず、1回露出で決定論的複素振幅イメージングを実現した。
• 1層構造のメタレンズと偏光カメラを用いて、4つの偏光シアー干渉パターンを同時に取得し、完全な複素場再構成が可能となった。
• 非コherentなLED照明を用いることで、静的および動的物体の両方においてスペックルノイズのないイメージングが実現した。
• メタレンズの設計により、倍率比と視野をカスタマイズ可能であり、さまざまなイメージング用途に柔軟に対応できる。
• コンパクトで耐障害性があり、1回露出であるため、ポータブルデバイスに統合するのに適した。
• 実験結果により、さまざまなテストシーンにおいて、複素振幅再構成の実現可能性と正確性が確認された。