[논문 리뷰] Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens

Liu Li, Shuai Wang외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 28.

Optical measurement and interference techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 층의 메탈렌스를 사용하여 공간적으로 다중분할된, 편광-단계 이동을 가진 점상 확산 함수를 생성하는 단일 촬영, 결정론적 복소 진폭 영상 시스템을 제시한다. 메탈렌스를 편광 카메라와 조합함으로써 시스템은 한 번의 노출에서 네 개의 간섭 무늬를 캡처할 수 있으며, 반복 알고리즘 또는 사전 지식 없이도 빛장의 전체 복소 진폭 재구성을 가능하게 한다. 비정재성 LED 조명을 통해 정적 및 동적 물체에 대한 실험을 수행하여, 조정 가능한 확대율과 시야를 제공함을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 영상 시스템이 강한 강도 정보만 캡처하여 중요한 위상 정보를 손실한다는 한계를 극복하기 위해.
• 위상 복원에서 다중 프레임 측정, 두꺼운 장치 또는 사전 시나리오 지식이 필요 없도록 하기 위해.
• 휴대용 응용 분야에 적합한 소형화, 내구성 있고 결정론적인 복소 진폭 영상 시스템을 개발하기 위해.
• 단일 층의 메탈렌스의 파면 공학 능력을 활용하여 공간 다중분할된, 편광 인코딩 간섭 무늬를 생성하기 위해.
• 비정재성 조명을 사용하여 정적 및 움직이는 물체에 대해 스펙클 노이즈가 없는 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 단일 층의 메탈렌스가 상호 수직된 편광 상태와 위상 이동을 가진 네 개의 고유한 공간 다중분할 점상 확산 함수를 생성하도록 설계된다.
• 메탈렌스는 두 상호 수직 방향에서의 평면 내 시프트를 상응시키는 네 개의 간섭 무늬를 동시에 기록할 수 있는 편광 민감성 카메라와 조합된다.
• 기록된 간섭 무늬는 편광에 의존하는 위상 이동을 통해 입력 빛장의 진폭과 위상 정보를 인코딩한다.
• 반복 최적화 또는 사전 가정 없이도 복소 진폭장을 복원할 수 있도록 네 개의 기록된 무늬에 결정론적 재구성 알고리즘을 적용한다.
• 시스템은 비정재성 발광 다이오드를 조명원으로 사용하여 반복 최적화나 사전 가정 없이도 동적 장면에 대해 스펙클 노이즈가 없는 영상 촬영이 가능하다.
• 확대율 비율과 시야는 메탈렌스 설계 및 광학 구성으로 조절 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 층의 메탈렌스를 설계하여 복소 진폭 영상에 적합한 다수의 위상 이동 및 편광 다중분할 점상 확산 함수를 생성할 수 있는가?
• RQ2 메탈렌스와 편광 카메라만으로도 단일 노출에서 결정론적 복소 진폭 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 비정재성 조명을 사용하여 동적 물체의 스펙클 노이즈가 없는 영상 촬영이 가능한가?
• RQ4 기존의 다중 촬영 또는 반복 위상 복원 기법과 비교할 때 시스템의 컴팩트함과 내구성 측면에서 성능은 어떠한가?
• RQ5 시스템은 소형화되어 휴대용 또는 현장 진단 광학 진단에 적합하게 변형될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 반복 알고리즘 또는 물체에 대한 사전 지식 없이도 단일 촬영, 결정론적 복소 진폭 영상 촬영을 달성한다.
• 단일 층의 메탈렌스와 편광 카메라를 사용하여 네 개의 편광-시프트 간섭 무늬를 동시에 캡처함으로써 전체 복소장 재구성 가능하다.
• 비정재성 LED 조명 하에서 정적 및 움직이는 물체에 대해 스펙클 노이즈가 없는 영상 촬영이 가능하다.
• 메탈렌스 설계를 통해 확대율 비율과 시야를 조정 가능하여 다양한 영상 응용 분야에 대한 유연성을 제공한다.
• 소형, 내구성 있고 단일 촬영 성격 덕분에 시스템은 휴대용 장치에 통합되어 현장 진단 진단에 적합하다.
• 실험 결과는 다양한 시험 장면에서 복소 진폭 재구성의 실현 가능성과 정확성을 확인한다.