[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种紧凑型光纤端部内窥镜定量相位成像系统，采用色散性氮化硅金属透镜，通过多焦面光谱复用实现单次曝光相位重建。该金属透镜在无需外部滤光片或机械扫描的情况下，实现了280°视场内的0.1λ相位灵敏度，克服了传统QPI系统的关键局限。

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

研究动机与目标

• 开发一种与光纤平台兼容的微型化内窥镜定量相位成像系统。
• 克服传统QPI系统在多次采集、干涉对准和机械扫描方面的局限。
• 利用单一光学元件集成光谱复用功能，实现高灵敏度相位成像。
• 在光纤端部实现金属透镜的相位成像性能验证。

提出的方法

• 在光纤端部制备色散性氮化硅金属透镜，使不同波长同时聚焦于不同的轴向位置。
• 采用光谱复用技术，在单次相机曝光中将相位信息编码至多个离焦平面。
• 金属透镜的波长依赖相位分布可直接从强度测量中恢复波前，无需额外滤光片。
• 通过求解已知金属透镜光谱响应与单次采集强度数据的逆问题，实现相位重建。
• 利用金属透镜固有的色散特性编码离焦多样性，实现定量相位重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成于光纤端部的金属透镜是否可在无需外部组件的情况下实现单次曝光定量相位成像？
• RQ2 色散性金属透镜的光谱复用能力如何支持多离焦平面的相位重建？
• RQ3 光纤集成金属透镜在内窥镜QPI中可实现的相位灵敏度和视场范围是多少？
• RQ4 基于金属透镜的方法在多大程度上可消除对机械扫描或干涉对准的需求？
• RQ5 紧凑型一体化透镜设计能否实现与传统QPI系统相当的性能？

主要发现

• 金属透镜实现了0.1λ的相位灵敏度，展现出高精度相位测量能力。
• 系统提供280°视场，可在光纤端部实现大范围定量相位成像。
• 无需额外滤光片、机械扫描或干涉对准，即可实现单次曝光相位重建。
• 利用金属透镜的色散特性编码离焦多样性，仅凭一张强度图像即可实现鲁棒的相位重建。
• 该方法完全集成于透镜内部，无需外部光学元件。