[论文解读] Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens

Liu Li, Shuai Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Optical measurement and interference techniques被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于单层超表面透镜的单次曝光、确定性复振幅成像系统，该系统生成空间复用的、具有偏振-相位移的点扩散函数。通过将超表面透镜与偏振相机结合，系统在一次曝光中捕获四个干涉图样，实现对光场的完整复振幅重建，无需迭代算法或先验知识，已通过非相干LED照明在静态和动态物体上实现，且可调节放大倍率与视场。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统成像系统仅捕获强度、丢失关键相位信息的局限。
• 消除相位恢复中对多帧测量、笨重装置或场景先验知识的需求。
• 开发一种微型化、鲁棒且确定性的复振幅成像系统，适用于便携应用。
• 利用单层超表面透镜的波前调控能力，实现空间复用、偏振编码的干涉图样。
• 利用非相干照明实现静态与运动物体的散斑噪声自由成像。

提出的方法

• 设计单层超表面透镜，生成四种具有正交偏振态和相位移的、空间复用的点扩散函数。
• 将超表面透镜与偏振敏感相机结合，同时记录对应于两个正交方向面内剪切的四个干涉图样。
• 通过偏振相关的相位移，记录的干涉图样编码了输入光场的振幅与相位信息。
• 对四个记录的图样应用确定性重建算法，无需迭代优化或先验假设，即可恢复复振幅场。
• 系统采用非相干发光二极管作为照明光源，实现动态场景的散斑噪声自由成像。
• 通过超表面透镜与光学配置的设计，可调节放大倍率与视场。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计单层超表面透镜，生成多个具有相位移、偏振复用的点扩散函数，以实现复振幅成像？
• RQ2 仅使用超表面透镜与偏振相机，是否可能通过单次曝光实现确定性复振幅重建？
• RQ3 该系统能否在非相干照明下实现动态物体的散斑噪声自由成像？
• RQ4 与传统多帧或迭代相位恢复技术相比，该系统在紧凑性与鲁棒性方面表现如何？
• RQ5 该系统能否实现微型化并适配于即时检测或便携式光学诊断？

主要发现

• 系统实现了无需迭代算法或对象先验知识的单次曝光、确定性复振幅成像。
• 通过单层超表面透镜与偏振相机，同时捕获四个偏振剪切干涉图样，实现完整复振幅场重建。
• 该方法在非相干LED照明下实现了静态与运动物体的散斑噪声自由成像。
• 通过超表面透镜设计，系统可实现可调放大倍率与视场，为不同成像应用提供灵活性。
• 系统具有紧凑、鲁棒与单次曝光的特性，适用于集成于便携式设备中，用于即时检测诊断。
• 实验结果验证了在多种测试场景下复振幅重建的可行性与准确性。