[论文解读] Imaging over an unlimited bandwidth with a single diffractive surface

Sourangsu Banerji, Monjurul Meem+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 29被引用 16

一句话总结

本文展示了单个多级衍射透镜（MDL）可通过将像面相位视为自由参数，在几乎无限带宽范围内校正色差——实验验证范围为450 nm至850 nm。MDL以极低像差实现高性能成像，使系统更薄更轻，可替代传统多表面色差校正方案。

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.

研究动机与目标

• 克服长期以来认为色差校正需要多个光学表面的假设。
• 探究单个衍射表面是否可实现宽带成像且色差与波前像差极小。
• 设计并实验验证一种可在扩展光谱范围内工作的多级衍射透镜（MDL）。
• 表征实际系统中的成像性能指标，如聚焦效率、调制传递函数（MTF）和信噪比（SNR）。
• 将设计扩展至更长波长（最高达15 µm和150 µm），以证明该方法的可扩展性。

提出的方法

• 在设计过程中将像面相位视为自由参数，从而实现对宽带色差校正的优化。
• 采用光刻技术制造多级衍射透镜（MDL），以在宽波段范围内实现所需的复杂相位调制。
• 将透镜与传统图像传感器集成，构成完整的成像系统以进行实验验证。
• 实验测量聚焦效率、调制传递函数（MTF）、波前像差、渐晕、畸变及信噪比（SNR）等性能指标。
• 提出理论设计，用于从500 nm至15 µm以及从2 µm至150 µm波段工作的MDL，以证明其在可见光以外波段的可扩展性。
• 设计方法基于逆向光学原理，协同优化相位分布以最小化色差与单色像差。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个衍射表面是否可在校正任意大带宽范围内的色差？
• RQ2 在可见光与近红外波段，单个MDL在聚焦效率、MTF和波前误差方面的性能如何？
• RQ3 与传统多表面系统相比，采用单个MDL的成像系统在像差与SNR方面表现如何？
• RQ4 该设计在多大程度上可扩展至中红外与远红外波段？
• RQ5 此类透镜在实际成像系统中的实际限制是什么？

主要发现

• 所制造的MDL在450 nm至850 nm范围内成功成像，波前像差极低，聚焦效率高。
• 在整个可见光与近红外波段，调制传递函数（MTF）保持较高水平，表明分辨率性能优异。
• 通过逆向设计最小化波前像差，在整个宽带范围内实现接近 diffraction-limited（衍射极限）的性能。
• 系统表现出低渐晕与畸变，信噪比（SNR）主要受限于传感器的量子效率。
• 针对从500 nm至15 µm以及从2 µm至150 µm波段的MDL理论设计表明无明显带宽限制，暗示其可扩展至长波长。
• 结果表明，单个衍射表面可替代传统色差校正中所需的多个折射元件。