ニュース

Nov 20, 2023

デュアルで異なる結像特性を備えた二焦点平面レンズ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18996 (2022) この記事を引用 765 アクセス 1 Altmetric Metrics の詳細 広視野 (FOV) 画像と拡大画像を同時に撮影可能

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18996 (2022) この記事を引用

765 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

広視野 (FOV) 画像と拡大画像は、デュアル センサー イメージング システムによって同時に撮影できます。 ここでは、2つの焦点の異なる結像特性を備えた二焦点平面レンズを作成するアプローチを提案します。これにより、デュアルセンサーイメージングシステムがより統合され、小型化されます。 つまり、2 つの異なる従来の ZP の 2 つの特別な部分が抽出され、特定の方法で 2 つの要素が結合されます。 そのため、光軸に沿って異なる特性を持つ 2 つの焦点があり、1 つは解像度が高い長焦点で、もう 1 つは焦点深度 (DOF) が長い短焦点です。 提案されたアプローチでは、厚さ 0.6 μm の薄くて軽い二焦点回折レンズ (BDL) が開発されます。 BDL の長焦点距離と短焦点距離は、それぞれ約 81 mm と約 27 mm、直径は 6 mm です。 我々は、BDL の長焦点が高解像度の拡大画像を撮影できることを実験的に実証し、その解像度は最大 21.90 インチです。 短焦点は長い DOF 画像で広い FOV を撮影することができ、2880 mm 離れた 2 つの物体を鮮明に画像化できます。 実験結果は、これらすべての指標が従来の屈折レンズの指標よりも優れていることを示しています。

イメージングシステムでは、より多くの情報を得るために、拡大イメージングと広視野（FOV）イメージングが非常に重要です1。 拡大イメージングと広視野イメージングを必要とするアプリケーションは、監視 2 や医療 3、4、5 から人工知能 6、7 まで多岐にわたります。 従来の撮像システムでは焦点が1つしかないため、拡大画像と広視野画像を撮影するにはズームが必要であり、従来のズーム撮像システムでは拡大画像と広視野画像を同時に撮影することはできません。 さらに、ズーム イメージング システムは非常に厚くてかさばるため、ズーム プロセスに時間がかかるだけでなく、広い FOV と高解像度のバランスをとることが困難です。 これらの問題を解決するために、レンズアレイイメージング8、9、10、11、12、13、14、中心窩イメージング15、16、17、18、デュアルカメラシステム19、デュアルセンサーイメージングシステム20など、多くのアプローチが提案されています。 ただし、これらのアプローチの欠点は、複数のレンズにより非常にかさばり、複雑になるため、広い分野での応用が制限されます。

軽量化、統合化、小型化を目的として、2 つの焦点を備えた平面レンズはデュアルセンサーイメージング システムのソリューションを提供します。つまり、長焦点により高解像度の拡大イメージングが可能になり、同時に短焦点により長い DOF イメージングで広い FOV が可能になります。 平面レンズにはメタレンズと回折光学素子 (DOE) があり、どちらも光の位相を自由に操作できます。 さらに、偏光の操作はメタレンズによって実現できます21。 メタレンズは近年提案された新しい光学デバイス 22,23 であり、色消し 24,25 や偏光結像 26 など、これらのユニットを注意深く配置することで設計した波面を実現できます。 それにもかかわらず、これはこの論文では偏光制御ではなく位相制御の問題であり、DOE と比較してより大きな構成要素を備えたメタレンズを設計および製造することは大きな課題です27。 したがって、DOE はこれらの要件を満たすのにより適しており、フォトリソグラフィー技術の発展のおかげで製造がはるかに簡単になり、低コストで大面積の大量生産が可能になりました。 多焦点 DOE の設計には、与えられた強度分布の最適化 28、29、30、31 と回折次数の設計 32、33、34 の 2 つの一般的なアプローチがあります。 最初のアプローチでは、光学要素を最適化して光軸に沿って所定の強度分布を形成するためにいくつかのアルゴリズムが使用されます。 2 番目のアプローチでは、通常のレンズの 2 値化です。つまり、追加の回折次数が光軸に沿って現れます。 どちらも古くから研究されており、よく知られています。 ただし、最初のアプローチの欠点は、光軸に沿った所定の強度分布を最適化するための最適化アルゴリズムが必要であり、時間がかかり、大型の多焦点 DOE の製造が困難であることです。 2 番目のアプローチの欠点は、一連の余分な焦点が光軸上に現れ、必要な主焦点イメージングの品質が低下することです。 さらに、通常のレンズを二値化して追加の焦点を生成することによって、光軸に沿って期待される焦点特性を達成することは困難です。