[논문 리뷰] Imaging over an unlimited bandwidth with a single diffractive surface

Sourangsu Banerji, Monjurul Meem외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 14.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 29인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 이미지 평면의 위상이 자유 매개변수로 간주될 수 있음을 입증함으로써, 거의 무한한 대역폭에서 색수차를 보정할 수 있는 단일 다중 수준 회절 렌즈(MDL)의 가능성을 실험적으로 입증한다. MDL은 최소한의 수차로 고성능 이미징을 구현하여 전통적인 다면체 색수차 보정 방식을 대체하는 얇고 가벼운 시스템을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 색수차 보정이 다수의 광학 표면이 필요하다는 오랜 가정을 극복하기 위해.
• 단일 회절 표면이 광대역 이미징을 가능하게 하고, 최소한의 색수차 및 웨이브플론 수차를 달성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 확장된 스펙트럼 범위에서 작동할 수 있는 다중 수준 회절 렌즈(MDL)의 설계 및 실험적 검증을 위해.
• 실제 시스템에서 집중 효율, 조절 전달 함수(MTF), 신호 대 잡음비(SNR)와 같은 이미징 성능 지표를 특성화하기 위해.
• 이론적 설계를 장파장(최대 15 µm 및 150 µm)으로 확장하여 이 접근법의 확장성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 설계 과정에서 이미지 평면의 위상 프로파일을 자유 매개변수로 간주하여 광대역 색수차 보정을 최적화한다.
• 광학적 리소그래피 기법을 사용하여 복잡한 위상 조절을 넓은 대역폭에서 달성할 수 있는 다중 수준 회절 렌즈(MDL)를 제작한다.
• 기존의 이미지 센서와 함께 렌즈를 통합하여 실험적 검증을 위한 완전한 이미징 시스템을 구성한다.
• 집중 효율, 조절 전달 함수(MTF), 웨이브플론 수차, 비그네팅, 왜곡, 신호 대 잡음비(SNR)와 같은 성능 지표를 실험적으로 측정한다.
• 이론적 설계를 통해 500 nm에서 15 µm, 2 µm에서 150 µm까지 작동하는 MDL을 개발하여 가시광선 이외의 영역으로의 확장성을 입증한다.
• 역광학 원리를 활용하여 색수차 및 단색수차를 최소화하는 위상 프로파일을 공동 최적화하는 설계 방법론을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 회절 표면이 임의로 큰 대역폭에서 색수차를 보정할 수 있는가?
• RQ2 단일 MDL의 집중 효율, MTF, 웨이브플론 오차 성능은 가시광선 및 근적외선 파장에서 어떻게 되는가?
• RQ3 단일 MDL을 탑재한 이미징 시스템은 전통적인 다면체 시스템과 비교해 수차와 SNR 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 이 설계는 중적외선 및 장적외선 파장으로 얼마나 넓게 확장될 수 있는가?
• RQ5 이러한 렌즈의 실세계 이미징 시스템에서의 실용적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 제작된 MDL은 450 nm에서 850 nm까지 낮은 웨이브플론 수차와 높은 집중 효율로 이미징에 성공했다.
• 조절 전달 함수(MTF)는 전체 가시광선 및 근적외선 범위에서 높은 수준을 유지하여 뛰어난 해상도 성능을 나타냈다.
• 역설계를 통해 웨이브플론 수차가 최소화되어 광대역 범위에서 거의 회절한계 성능을 달성했다.
• 시스템은 낮은 비그네팅과 왜곡을 보였으며, 신호 대 잡음비(SNR)는 주로 센서의 양자 효율에 의해 제한되었다.
• 500 nm에서 15 µm, 2 µm에서 150 µm까지 작동하는 MDL의 이론적 설계는 명백한 대역폭 제한이 없음을 보여, 장파장으로의 확장 가능성을 시사한다.
• 결과적으로 단일 회절 표면이 기존의 색수차 보정을 위해 필요로 했던 다수의 굴절 요소를 대체할 수 있음을 입증했다.