JP2021512365A - フルカラー撮像のためのメタ表面およびシステムならびに撮像の方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、その開示がその全体で参照によって本明細書に組み込まれる、2018年1月29日に出願された米国特許出願第62/623,170号の利益を主張するものである。
一態様では、本開示は、光学活性を有するメタ表面を提供する。一実施形態では、メタ表面が、第1の屈折率を有し正方形のパターンで基板上に配置される第1の材料を備える複数のポスト、および、第1の屈折率より小さい第2の屈折率を有する間隙物質を備える複数のポストの個々のポスト間の間隙を含む。一実施形態では、図7Aおよび図7Bを参照してさらにここで議論されるように、複数のポストのポストの直径が、メタ表面の光軸の周りで回転非対称で変わる。
fは、メタ表面の焦点距離である。
xおよびyは、基板の平面におけるメタ表面の座標である。
zは、メタ表面の伝播方向である。
λは、メタ表面の動作波長である。
Lは、メタ表面のアパーチャ幅の半分である。
αは、メタ表面の3次位相強度である。
別の態様では、本開示は、画像を生成するためのシステムを提供する。一実施形態では、システムは、図8および図9に示されるように、メタ表面およびコントローラを含む。一実施形態では、メタ表面は、本明細書に記載されるような任意のメタ表面である。一実施形態では、システムは、波長範囲にわたって光学活性を有するメタ表面と、メタ表面を通過した光を吸収するように位置決めされ、吸収した光に基づいて信号を生成するように構成される光検出器と、光検出器に動作可能に結合されるコントローラとを含む。
別の態様では、本開示は、メタ表面および光検出器で画像を生成する方法を提供する。一実施形態では、メタ表面は、本明細書に記載される任意のメタ表面である。一実施形態では、メタ表面は、本明細書に記載されるようなシステムの部分である。実施例に記載されるように、拡張焦点深度で光を合焦するものなどといった、本開示のメタ表面で生成される画像は、たとえばより狭い焦点に光を合焦するメタ表面よりも、より小さい色収差を有する画像を生成するのに適している。したがって一実施形態では、本開示の方法で使用するのに好適なメタ表面は、第1の屈折率を有し正方形のパターンで基板上に配置される第1の材料を備える複数のポスト、および、第1の屈折率より小さい第2の屈折率を有する間隙物質を備える複数のポストの個々のポスト間の間隙を含み、複数のポストのポストの直径は、メタ表面の光軸の周りで回転非対称で変わる。
(実施例1)
本実施例は、全可視領域にわたる広帯域の白色光照明の下で高品質画像を生成することができる、単一のメタ表面および計算的に安価なデジタルフィルタを備えるフルカラー撮像システムを実現するため、計算による後処理と組み合わせて使用する光学的ハードウェアを記載する。
線形でシフト不変である光学システムの3D点像分布関数(PSF)は、完全にその挙動を特徴付ける。光学システムの画像平面において、2D PSFは、システムの幾何形状および収差に関係するサイズおよび形状を有する点光源の画像に対応する。波長が変わると、画像センサの位置が固定されるために、キャプチャした画像中の色に依存するぼけを引き起こす色収差に起因して画像平面がシフトする。メタ表面光学系では、この焦点シフトは、光の波長に反比例し、多色画像を著しくぼけさせる。全可視領域にわたって不変であるPSFでメタ表面を設計することによってこのぼけを低減する。これは、拡張焦点深度(EDOF)を実現するために位相マスクを使用して光の波面を符号化することによって達成された。このEDOFによって、不鮮明な焦点の深度にわたって空間周波数情報を保存することに起因して、システムが焦点のシフトに対して耐性をもつ。これは、入射光がより大きい体積にわたって広がると、信号対雑音比(SNR)が減ることとキャプチャした画像がぼけることのトレードオフをもたらすが、波長依存性のぼけを有する単純なレンズと異なり、EDOFシステムは、広い周波数帯にわたりスペクトル的に不変のぼけを有することができ、その帯域幅は焦点深度とともに増加する。引き起こされるぼけがスペクトル的に不変であることによって、高品質画像を取り出すための、単一の波長非依存性フィルタでの後処理が可能になる。
学画像を示す。製造したα=0のレンズおよびα=55πのレンズは、既存の可視波長メタレンズと同等の、試験した波長についてそれぞれ63%と57%の合焦効率の平均測定値を呈示する。以降では、α=0のメタ表面をシングレットメタレンズ、α=55πのメタ表面をEDOFメタレンズと表す。
アクロマチック帯域が狭いまたはカラー画像を生成するために離散的な波長の画像が重ね合わされる場合のメタ表面設計と比較して、我々の知る限り、直接白色光で、合焦した全可視スペクトル撮像を呈示するのは、我々が最初である。この挙動は図4A〜図4Dで観察され、単一の画像がキャプチャされると、デコンボリューション後、赤、緑、および青の光が合焦するだけでなく、黄色、橙色、および紫色などといった、中間色も合焦する。さらに、我々のメタレンズは、様々な異なる幾何形状および材料を使用するように拡張できる簡単な透過型散乱体に依拠する一方、既存の広帯域アクロマチックメタレンズは、注意深く設計した分散特性を有する散乱体を必要とする。しかし、我々のシステムでは、我々の修正した位相マスクを組み合わせたデジタルフィルタが、広帯域な色の撮像を可能にし、必要な後処理は、システムを複雑にして、キャプチャした画像をデコンボリューションするのに遅延時間をもたらす。多くの写真およびビデオ用途で、このことは、問題の原因とならない。というのは、任意のキャプチャしたフレームをセーブし、次いでオフラインでデコンボリューションすることができるためである。実時間の撮像では、我々のシステムは、やはり働くことになる。というのは、我々のフィルタは、FPGAまたはGPUによって加速できるO(NlogN)高速フーリエ変換アルゴリズムに依拠するためである。そのようなハードウェア加速技法は、追加回路を必要とし、システムの複雑さを増して、所与の用途について設計者がシステム要件と費用の釣り合いをとることが必要になる。我々が実装したシステムは、我々の小さい(200μm)焦点距離およびアパーチャ幅から生じる空間帯域幅積が制限されることからも影響を受ける。典型的には、光学システムの空間帯域幅積は、システムの寸法がスケールダウンし、画像中の情報容量および解像可能な点の数が減ると減少することになる。我々のメタレンズの小さいアパーチャは、光収集をやはり制限し、このことがSNRを減少させて、より強い入射パワーまたは露出時間を増やすことが必要になる。しかし、これらの制限は、我々のハイブリッド型光デジタルシステムに固有ではなく、その代わり、我々の短い焦点距離から生じ、同じ長さのスケールにおける任意の実装に存在することになる。
焦点深度と結果として得られる画像の信号対雑音比(SNR)との間にトレードオフがあるため、画像品質へのαパラメータの影響を分析した。広い範囲のα値を有するEDOFメタ表面の組を製造した。図10Aは、異なるα値を有する4つのレンズ設計を使用してキャプチャおよびデコンボリューションした白色光画像の組を示す。α=0の設計が、チューリップ画像での明らかなカラーリンギング、RGBテキストおよびROYGBIVテキストでの歪、ならびに虹パターンでのエッジのぼけを有する一方、これらのアーティファクトは、非ゼロαでの撮像およびデコンボリューションのときには低減される。α=20πの場合、最大強度の合焦画像が見られるが、黄色であるべきだが緑に見える、長い茎構造を有するチューリップ画像に明らかな、いくつかの色収差が依然として存在する。より大きいαに推移すると、強度でははっきりと低下があるが、リンギングアーティファクトのいくつかは減少し、チューリップの茎は、均一に黄色に見える。図10Bは、3つの異なるα値のレンズについて、緑の光の変調伝達関数(MTF)を比較して所与の波長についてSNRの減少を呈示する。SNRの減少は、より大きいαにおけるMTFの値がより低いことから明らかである。MTFは、どのくらい効率的に空間周波数情報が物体から画像に伝達できるかに関係するために、より低いMTFが、より小さいSNRに変換する。ここで、α=0レンズは、緑の光で合焦するように位置決めされ、広いMTFを実現するが、この設計波長から遠い波長で照明された場合、図2Dのように、そのスペクトルにおいてゼロを有するかなり狭いMTFを見ることになる。
ウィーナデコンボリューションを使用することに加えて、全変動(TV)正則化器を使用した最適化などといったより進んだ後処理アルゴリズムを我々のシステムでやはり試験した。最適化問題は次式のようである。
異なる照明波長の下で我々が設計したフルカラーシステムでキャプチャした画像間の不変性のレベルを査定するため、比較のための定量化できる測定基準が必要であった。画像品質を査定し、基準の「完全な」画像に対して試験画像を評価するための標準的な技法は、構造的類似性(SSIM)である。この測定基準は、画像の
我々のPSFを測定し、LED発生源によって作られるインコヒーレント光を使用して撮像した。しかし、LEDは、システムのMTFの空間カットオフ周波数を減らす無視できない帯域幅を有する。我々のシステムの性能をよりよく理解するため、530nm波長(我々の測定で使用した緑のLEDの中心波長)を使用して、我々のシングレットレンズおよびEDOFレンズの測定したMTFを、同じ焦点距離およびアパーチャ幅の回折限界シングレットレンズのものと比較した。このMTFには解析的な解決策が存在し、便宜のために下に提供する。
通常の入射における我々のデバイスの性能を分析することに加えて、オフアクシスで照明されるときのデバイスの性能をやはり検査した。これらのシミュレーションでは、レーリーゾンマーフェルト回折積分を解くために以前と同じ角スペクトル伝搬関数を使用したが、代わりに、横成分を有する波ベクトルを有する平面波で要素を励起した。図13A〜図13Fは、0°、5°、および10°の照明角度についてシングレットメタレンズとEDOFメタレンズの両方についての、シミュレーションした強度断面積を示す。これらのシミュレーションから、オフアクシス照明で焦点の拡張がやはり生じることを観察した。しかし一般的に、EDOFメタレンズがオフアクシスで撮像できる一方、キャプチャした画像品質を下げることになる幾何収差を受ける。我々の設計は、色収差を減らすことに焦点を合わせているため、オフアクシス撮像には最適化されない。我々の方法を、魚眼レンズでのスタック設計を使用するなどといった、幾何収差を減らすための技法と組み合わせると、この画像品質の低下を緩和することができる。
設計およびシミュレーション
ポストの直径が変えられると、全可視領域(400〜700nm)にわたる波長で0〜2πの位相を与えるように、ナノポストが設計された。図5は、厳密結合波分析(RCWA)シミュレーションによって計算された、400nm、550nm、および700nmにおける3つの代表的な波長についての伝達振幅および位相を示す。窒化ケイ素のポストと二酸化ケイ素基板の両方で使用される屈折率は、分散を考慮された。位相プロファイルを実施するのに単位セル近似を使用させることを可能にする、弱く結合したポストを設けるナノポスト設計を確かにするために、直径の関数としての伝達振幅(図6A)および位相(図6B)は、格子定数の広い範囲にわたり位相が最小の変化を示すよう、格子定数が掃引されるようにシミュレーションされた。メタ表面を公称で550nm用に設計するため、RCWAデータは、所与の位置における位相を、最も正確に所望の位相をもたらすポストの直径にマッピングするためのルックアップテーブルとして働いた。我々の設計の空間的範囲が大きいことに起因して、我々のデバイスの完全有限差分時間領域(FDTD)シミュレーションを実施するには、メモリ要件が、我々が利用可能な計算リソースを超えた。そのため、RCWAで計算した伝達係数が使用され、メタ表面は、複雑な振幅マスクとしてモデル化され、さらにその性能が、角スペクトル伝搬関数を使用してレーリーゾンマーフェルト回折積分を評価することによってシミュレーションされた。
一実施形態では、プラズマ促進化学気相堆積によって、窒化ケイ素の633nmの膜が、融解石英ウェハ基板上に最初に堆積された。ウェハは、一時的に、保護用フォトレジスト相でコートされ、より小さい部片へとダイシングされ、その後アセトンおよびイソプロピルアルコール中での音波処理によって洗浄された。次いで試料は、ZEP-520Aでスピンコートされ、その後、電荷消散層として8nmのAu/Pdをスパッタした。試料は、JEOL JBX6300FS電子ビームリソグラフィシステムを使用して露光され、TFAタイプ金エッチャントによって電荷消散層が除去された。酢酸アミル中で現像した後、試料上にアルミニウムの層が蒸着され、リフトオフを実施した後、後続のエッチングのためのアルミニウムハードマスクが窒化ケイ素層上に残された。試料を、CHF3とO2の化学物質で、誘導結合プラズマエッチャーを使用してエッチングし、残ったアルミニウムを、AD-10フォトレジスト現像機で浸漬することによって除去した。製造したデバイスの走査型電子顕微鏡写真が図7Aおよび図7Bに提示される。
製造したメタ表面の焦点面は、図8に提示される実験的設定によって特徴付けられた。ファイバ結合LEDからの光が試験中のメタ表面を照射し、平行移動可能なステージ、対物レンズ、結像レンズ、およびカメラから組み立てられた特別製の顕微鏡がデバイスの焦点面のスナップショットを撮る。効率を測定するために(図14)、同じ設定に、フリップミラー、ピンホール、および光検出器(Newport 818-SL)を追加して使用した。効率は、焦点面におけるパワーと入射ビームのパワーの比を考慮して計算された。入射ビームのパワーは、メタレンズの幅と等しい領域を撮像するために設定されるピンホール開口を有する1個のガラスを通してパワーを測定することによって見出された。カメラは、レンズキャップを装着して一連の較正画像を撮ることによって、暗雑音を補正した。レンズの変調伝達関数(MTF)は、フーリエ変換しその後測定した焦点の振幅を考えることによって決定された。
画像は、図9に示した設定を使用してキャプチャされた。ファイバ結合したLEDからの光が、標準的な8.5インチx11インチの紙に印刷されたパターンにオフアクシスで入射する。印刷したパターンから散乱された光を合焦することによって、メタ表面がその焦点面近くに画像を生成し、対物レンズ、結像レンズ、およびカメラからなる平行移動可能な顕微鏡がこの画像をキャプチャする。画像キャプチャの前に、レンズキャップを装着して一連の画像を撮った後に、カメラの暗雑音が減算される。
Claims (24)
- 波長範囲にわたる光学活性を有するメタ表面であって、
第1の屈折率を有し正方形のパターンで基板上に配置される第1の材料を備える複数のポストと、
前記第1の屈折率より小さい第2の屈折率を有する間隙物質を備える、前記複数のポストの個々のポスト間の間隙と
を備え、
前記複数のポストの前記ポストの直径が、前記メタ表面の光軸の周りで回転非対称で変わる、メタ表面。 - 前記メタ表面を通過した前記波長範囲の光を拡張焦点深度に合焦するように構成される、請求項1に記載のメタ表面。
- 前記拡張焦点深度が、実質的に、前記波長範囲にわたってスペクトル的に不変である、請求項2に記載のメタ表面。
- 前記メタ表面を通過した前記波長範囲の光の波面を符号化するように構成される、請求項1に記載のメタ表面。
- 前記メタ表面の少なくとも一部が、前記メタ表面の長さに沿ったポスト直径の勾配に基づくレンズ効果をもたらすように整形されるレンズを規定する、請求項1に記載のメタ表面。
- パターン形成および前記メタ表面の部分間の回折の差異によって規定される3次位相プレートである、請求項5に記載のメタ表面。
- αが、約0π〜約200πの範囲の中である、請求項7に記載のメタ表面。
- 前記波長範囲が、約400nm〜約700nmの範囲の光を含む、請求項1に記載のメタ表面。
- 前記第1の材料が窒化ケイ素である、請求項1に記載のメタ表面。
- 前記間隙物質が空気またはポリマーである、請求項1に記載のメタ表面。
- 前記複数のポストの周期性が前記波長範囲中の最小波長より小さく、前記複数のポストの直径が前記波長範囲中の前記最小波長の約25%と前記波長範囲中の前記最小波長の約90%の範囲の中であり、前記複数のポストの厚さが前記波長範囲の平均波長の約0.75倍と前記波長範囲の前記平均波長の約1.5倍の範囲の中である、請求項1に記載のメタ表面。
- 波長範囲にわたる光学活性を有するメタ表面であって、
第1の屈折率を有し正方形のパターンで基板上に配置される第1の材料を備える複数のポスト、および
前記第1の屈折率より小さい第2の屈折率を有する間隙物質を備える、前記複数のポストの個々のポスト間の間隙
を備え、
前記複数のポストの前記ポストの直径が、前記メタ表面の光軸の周りで回転非対称で変わる、メタ表面と、
前記メタ表面を通過した光を吸収するように位置決めされ、前記吸収した光に基づいて信号を生成するように構成される光検出器と、
前記光検出器に動作可能に結合されるコントローラであって、前記コントローラによって実行されると、
前記メタ表面を通過した前記波長範囲内の光に基づいて前記光検出器で複数の信号を生成すること、
前記複数の信号を計算によって再構築して、複数の計算によって再構築した信号を提供すること、および
前記複数の計算によって再構築した信号で、前記光検出器によって吸収した前記光に基づいて画像を生成すること
を含む動作をデバイスに実施させる論理を含む、コントローラと
を備える撮像システム。 - 前記メタ表面を通過した前記波長範囲の光を拡張焦点深度に合焦するように前記メタ表面が構成される、請求項13に記載のシステム。
- 前記拡張焦点深度が、実質的に、前記波長範囲にわたってスペクトル的に不変である、請求項14に記載のシステム。
- 前記複数の信号を計算によって再構築することが、前記複数の信号をデジタルでフィルタ処理することを含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記複数の信号をデジタルでフィルタ処理することが、ウィーナフィルタで前記複数の信号をデジタルでフィルタ処理することを含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記コントローラが、前記コントローラによって実行されると、前記デバイスに、
理想的な前記メタ表面のレンズ動作からの前記メタ表面の合焦挙動の逸脱を考慮して打ち消すため、前記複数の信号をデコンボリューションすること
を含む動作を実施させる論理をさらに含む、請求項14に記載のシステム。 - 第2のメタ表面をさらに備え、前記メタ表面の前記光軸に対する前記第2のメタ表面の変位が合焦における非線形な変化をもたらすように、前記メタ表面および前記第2のメタ表面が構成される、請求項13に記載のシステム。
- 前記メタ表面の前記光軸と同軸上に位置決めされる光軸を有する屈折レンズをさらに備える、請求項13に記載のシステム。
- 画像を生成する方法であって、
メタ表面を通過した光に基づいて光検出器で複数の信号を生成するステップであって、前記メタ表面が
第1の屈折率を有し正方形のパターンで基板上に配置される第1の材料を備える複数のポスト、および
前記第1の屈折率より小さい第2の屈折率を有する間隙物質を備える、前記複数のポストの個々のポスト間の間隙
を備え、
前記複数のポストの前記ポストの直径が、前記メタ表面の光軸の周りで回転非対称で変わる、ステップと、
前記複数の信号を計算によって再構築して、複数の計算によって再構築した信号を提供するステップと、
前記複数の計算によって再構築した信号で、前記光検出器によって吸収した前記光に基づいて画像を生成するステップと
を含む、方法。 - 前記複数の信号を計算によって再構築するステップが、前記複数の信号をデジタルでフィルタ処理するステップを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記メタ表面を通過した波長範囲の光を拡張焦点深度に合焦するように前記メタ表面が構成される、請求項21に記載の方法。
- 理想的な前記メタ表面のレンズ動作からの前記メタ表面の合焦挙動の逸脱を考慮して打ち消すため、前記複数の信号をデコンボリューションするステップをさらに含む、請求項23に記載の方法。
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