[논문 리뷰] Diffractive flat lens enables Extreme Depth-of-focus Imaging

Sourangsu Banerji, Monjurul Meem외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Optical Coatings and Gratings참고 문헌 19인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초점 평면에서의 위상 프로파일을 설계하여, 기존 렌즈보다 4개 이상의 주기만큼 넓은 초점 깊이를 달성하는 다중 수준 회절 렌즈(MDL)를 제안한다. MDL은 5 mm에서 1500 mm까지 회절 한계 초점 성능을 유지하며, 최소한의 빔 확산과 억제된 부가파를 보이며 6미터 범위에서 고해상도 영상 촬영이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 렌즈의 근본적인 제약, 즉 깊이가 얕은 초점 범위를 벗어나면 재조직이 필요하다는 점을 극복하기 위해.
• 초점 깊이를 크게 확장시켜 영상 시스템에서 기계적 재조직 장치를 제거하기 위해.
• 초점 평면에서 위상을 자유롭게 설계 가능한 변수로 간주함으로써 극도로 넓은 초점 깊이 영상이 가능하다는 것을 입증하기 위해.
• 이동 부품이 없는 단일 정적 렌즈를 사용하여 넓은 축 방향 범위에서 고품질 영상 촬영을 달성하기 위해.
• 0.85 mm 파장의 병렬 광선 조명 조건에서 실용적이고 제작된 MDL을 통해 극도로 넓은 초점 깊이 영상의 가능성 검증하기 위해.

제안 방법

• 축 방향에 따라 초점점의 진동을 제어하기 위해 공간적으로 설계된 위상 프로파일을 가진 다중 수준 회절 렌즈(MDL)를 설계하기 위해.
• 역설계 원리를 사용하여 초점점이 연장된 축 방향 범위에서 좁고 고정된 상태를 유지하도록 위상 분포를 최적화하기 위해.
• 연속적인 위상 함수를 근사하기 위해 4단계 이진 위상 프로파일을 구현하여 원하는 파면 조절을 달성하기 위해.
• 0.85 mm 파장의 병렬 빛으로 MDL를 조명하여 원거리 영상 조건을 시뮬레이션하기 위해.
• 검출기를 사용하여 축 방향의 빔 프로파일을 측정하여 반폭 최대값(FWHM)과 부가파 수준을 측정하기 위해.
• 단일 렌즈 구성에서 5 mm에서 1500 mm까지 다양한 거리에 있는 물체의 영상 촬영을 통해 영상 성능을 시연하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.5미터 이상의 축 방향 범위에서 회절 한계 초점을 유지할 수 있는 회절 렌즈를 설계할 수 있는가?
• RQ2 초점 평면에서 위상 분포를 조작함으로써 초점 깊이를 얼마나 넓힐 수 있는가?
• RQ3 기계적 재조직 없이 단일 정적 렌즈로 6미터 축 방향 범위에서 고 fidelity 영상 촬영이 가능한가?
• RQ4 극도로 넓은 초점 깊이를 가진 렌즈에서 축 방향에 따라 빔 점 크기와 부가파 수준은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 넓은 초점 깊이 범위에서 고해상도 영상 촬영이 가능한 평평하고 경량이며 소형의 렌즈를 구현하는 것이 가능한가?

주요 결과

• MDL는 5 mm에서 약 1500 mm까지의 초점 깊이를 확보하여 총 6미터의 축 방향 범위를 커버하였다.
• 반폭 최대값(FWHM)은 5 mm에서 6.6 µm에서 1500 mm에서 524 µm로 증가하여 제어되고 점진적인 빔 확산이 이루어졌음을 나타냈다.
• 부가파가 잘 억제되어 초점 범위 전반에서 고대비와 최소한의 영상 품질 저하가 보장되었다.
• 20° × 15°의 수평 × 수직 시야 범위에서 전체 1500 mm 범위에서 성공적으로 영상 촬영이 시연되었다.
• 주로 회절 한계 수준에 가까운 성능을 유지하여 고광학 품질임을 확인하였다.
• 기존 렌즈 대비 초점 깊이에서 4개 이상의 주기 향상을 달성하였다.