On design of hybrid diffractive optics for achromatic extended depth-of-field (EDoF) RGB imaging
混合成像系统是折射透镜和作为衍射光学元件（DOE）的多级相位掩模（MPM）的同时物理布置。混合设置的有利特性是改进的扩展景深（EDoF）成像和低色差。我们建立了一个完全可微的图像形成模型，以使用神经网络技术来优化成像。在第一阶段，设计框架依赖于基于模型的方法与数值模拟和端到端的MPM和成像算法的联合优化。在第二阶段中，MPM被固定为在第一阶段中发现的，并且使用基于CNN学习的方法通过由空间光调制器实现的MPM来实验性地优化图像处理。本文着重分析了不同的基本光学参数：光圈尺寸、镜头焦距、MPM与传感器之间的距离对成像精度和质量的影响，为设计提供了依据。我们指出，不同的光圈大小，镜头焦距，MPM和传感器之间的距离是第一次考虑端到端的EDOF优化。我们在数值上和实验上比较了可见光波长间隔[400-700]nm和以下EDOF范围的设计：[0.5-100]m用于模拟，[0.5-1.9]m用于实验测试。这项研究涉及的应用程序的混合光学的紧凑型相机的光圈[5-9]毫米和之间的距离MPM和传感器[3-10]毫米。
2022-03-31 physics.comp-ph physics.optics
A True Assessment of Flat Lenses for Broadband Imaging Applications
超透镜和衍射透镜（平面透镜）已经在过去的几年里被证明了。最近，人们试图扩大他们的性能范围，特别是在宽带消色差性能方面。虽然已经证明了消色差行为，但相对于常规（非色差校正的）平面透镜，成像性能的实际改进还没有。其原因是使用了不适当的性能度量，缺乏与基线常规设计的比较，以及缺乏结合了信噪比和分辨率的性能度量。在这项工作中，我们提出了一个度量，将允许比较不同类型的平面透镜，即使他们的一阶光学参数是不相同的。我们将此度量应用于几个已发布的消色差平面透镜设计，并将其与等效的传统平面透镜进行比较，我们认为这是消色差平面透镜性能的下限。该指标的使用为消色差平面透镜领域的未来发展铺平了道路，这将显示出经过验证的进展。
2021-08-02 physics.optics
Composite Functional Metasurfaces for Multispectral Achromatic Optics
纳米结构超颖表面提供了独特的能力，用于局部控制透射和反射光波的相位和振幅。基于这种潜力，近年来已经提出了大量的超颖表面作为标准光学元件的替代品。然而，在大多数情况下，这些元件遭受大的色差，从而限制了它们用于多波长或宽带应用的有用性。在这里，为了减轻和校正单个衍射元件的色差，我们引入了独立超颖表面的密集垂直堆叠，其中每个层包括不同的材料，并且针对可见光谱内的不同波段进行了优化设计。使用这种方法，我们展示了第一个三重RGB消色差超透镜在可见光范围内，并执行彩色成像与此镜头。我们进一步证明了功能光束整形通过构建一个自对准的集成元件受激发射耗尽（STED）显微镜和透镜，提供异常色散聚焦。这些演示为实现超消色差光学元件和多功能操作铺平了道路，所有这些都在一个纳米结构的光学元件中。
2016-09-27 physics.optics
High-fidelity achromatic metalens imaging via deep neural network
提出一种基于深度学习的单超构透镜成像系统，通过计算重建红绿蓝通道消除色差并提升分辨率，无需复杂工程即可实现高保真消色差成像。
2023-08-01 physics.optics
Broadband imaging with one planar diffractive lens
我们演示了使用单个平面衍射透镜在可见光波段的成像。这是通过多级衍射光学器件实现的，该多级衍射光学器件被设计为在宽波长范围内聚焦，我们将其称为消色差衍射透镜（ADL）。我们设计，制造和表征两个ADL的数值孔径为0.05和0.18。NA=0.05的透镜具有衍射限制聚焦，在整个可见光谱（450 nm至750 nm）上测量的聚焦效率超过40%。我们用单色和彩色CMOS传感器表征了镜头，并在自然阳光和其他宽带照明条件下演示了视频成像。我们使用严格的电磁模拟来强调ADL可以实现高NA（0.9）和大工作带宽（可见光谱中的300 nm），这是迄今为止尚未采用其他平面透镜技术（如超透镜）的指标组合。这些平面衍射透镜可以在大面积上成本有效地制造，从而可以使各种成像应用广泛采用平坦的低成本透镜。
2017-12-26 physics.optics
Imaging across the Short-Wave Infra-Red (SWIR) Band via a Flat Multilevel Diffractive Lens
我们设计并制作了一个在短波红外波段（875 ~ 1675 nm）消色差的平面多级衍射透镜。MDL的焦距为25 mm，孔径为8.93mm，厚度仅为2.6um。通过将MDL与SWIR图像传感器配对，我们还表征了其在点扩散函数、调制传递函数以及静态和视频成像方面的成像性能。
2019-08-06 physics.app-ph physics.optics
Hybrid Diffractive Optics Design via Hardware-in-the-Loop Methodology for Achromatic Extended-Depth-of-Field Imaging
通过结合计算成像的数字可微模型对衍射光学元件（DOE）轮廓进行端到端优化，由于所得到的物理设置的紧凑性，在新兴应用中获得了越来越多的关注。尽管最近的工作已经显示出这种方法设计光学器件的潜力，但其在物理设置中的性能仍然受到DOE的制造伪影、模拟和所得实验点扩散函数之间的失配以及校准误差的限制和影响。此外，有效设计DOE的数字可微模型的计算负担正在增加，从而限制了可以设计的DOE的大小。为了克服上述局限性，本文提出并研制了一种采用纯相位空间光调制器（SLM）作为编码DOE的宽带成像系统。SLM相位图案和图像重建算法的协同设计是按照端到端的策略产生的，使用配备有定量和定性损失函数的卷积神经网络进行优化。成像系统采用SLM作为DOE和折射透镜的混合光学系统。SLM相位图案通过应用硬件在环技术进行优化，这有助于消除成像的数值建模和物理现实之间的不匹配，因为光传播不是数值建模的，而是物理完成的。在我们的实验中，混合光学实现的SLM相位图案的光学投影在一个透镜平面上的深度范围为0.4- 1.9米。与索尼A7 III和iPhone Xs Max相机等复合多镜头光学器件的比较表明，该系统在全聚焦清晰成像方面具有先进性。
2022-03-30 eess.IV physics.comp-ph physics.optics
Circumventing size-bandwidth limits in imaging with flat lenses
最近的理论工作提出了平面透镜工作带宽的上限。在这里，我们展示了如何通过一个多级衍射透镜（MDL）的直径= 100毫米，焦距= 200毫米，设备厚度= 2.4μ m和工作带宽从这些界限可以规避？= 400 nm至800 nm。我们进一步结合的MDL与折射透镜演示混合望远镜。通过呼吁相干理论，我们表明，相对带宽的上限是令人惊讶的透镜直径或数值孔径无关，但仅限于图像传感器的带宽。由于大面积消色差平面透镜产生显着减少其折射对应物的重量，这些计算和实验开辟了非常大规模的衍射和衍射折射望远镜的机会。
2021-12-30 physics.optics
FDTD-based Inverse Design enables f/0.27 flat Microlens Array for Integral Imaging
本研究通过逆向设计制备出f/0.27的高NA多级衍射微透镜阵列，厚度较折射式减少3倍以上，可实现RGB积分成像，适合低成本批量制造，可用于文档防伪。
2024-04-17 physics.app-ph physics.optics
Compact dual-band multi-focal diffractive lenses
我们设计，制造和表征多功能和紧凑的衍射微透镜，具有亚波长厚度和同时聚焦可见光和近红外光谱带在两个不同的焦点位置的能力，分别为24%和15%的测量聚焦效率。我们的技术采用高折射率和低损耗的溅射氢化非晶硅，使亚波长厚度仅为235 nm。此外，所提出的平面透镜概念是偏振不敏感的，并且可以容易地设计成在任何期望的波长范围内操作。实验证明了在宽带照明下具有两个目标光谱带的独立焦平面的成像，使得能够将样品的深度信息编码成不同的光谱图像。此外，只有100 $μ$ m和400 nm的最小特征尺寸的小足迹，建议的多功能和紧凑的衍射微透镜可以很容易地集成与垂直检测器阵列，同时集中和光谱选择电磁辐射。这为具有先进检测器架构的光谱和多光谱成像系统提供了新的机会。
2020-04-18 physics.app-ph physics.optics
An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range
色散工程对包括光纤器件在内的大多数现代光学系统的性能至关重要。即使用于内窥镜应用的米级单模光纤的色散可以忽略不计，位于光纤端面上用于光学聚焦和成像的光学透镜也会遭受强烈的色差。在这里，我们提出了在单模光纤端面上的3D消色差衍射超透镜的设计和纳米打印，能够在整个近红外电信波长波段范围从1.25到1.65 μ m进行消色差和偏振不敏感聚焦。这代表了商业上使用的光纤的整个单模域。3D纳米柱亚原子中的未锁定高度自由度极大地将消色差超透镜的时间带宽积的上限增加到21.34，从而导致跨越-8到14 fs的宽群延迟调制范围。此外，我们展示了使用我们的紧凑和灵活的消色差超光纤的光纤共焦成像，能够在宽带光照明下创建清晰的图像。这些结果可能会释放光纤超光学的全部潜力，广泛的应用，包括高光谱内窥镜成像，飞秒激光辅助治疗，深部组织成像，波长复用光纤通信，光纤传感和光纤激光器。
2022-01-20 physics.app-ph physics.optics
Role of Fabrication Errors and Refractive Index on Multilevel Diffractive Lens Performance
多级衍射透镜（MDLs）已经成为传统衍射光学元件（DOE）和超透镜的替代品，用于从成像到全息和沉浸式显示的应用。最近的工作表明，通过利用DOE的结构参数优化，可以设计MDL以实现多种功能，如消色差、焦深、广角成像等，并且非常容易制造。因此，理解制造误差如何仍然影响MDL的性能并在设计MDL的开始时数值评估效率和初始参数选择之间的权衡变得至关重要，即，甚至在制造之前。在这里，我们对MDLs（主要在THz范围内运行）进行了基于统计模拟的研究，以分析各种制造缺陷（单个和多个）对最终结构的影响，作为环高度水平的函数。此外，我们还评估了这些相同的MDLs的组成材料的折射率的变化的性能。我们在数值分析中使用聚焦效率作为评价标准;因为它是最基本的属性，可用于比较和评估通常设计用于具有任何特定功能的任何应用的透镜（和MDL）的性能。
2020-09-11 physics.optics
Inverse-designed flat lens for imaging in the visible & near-infrared with diameter > 3mm and NA=0.3
通常认为，校正成像中的色差需要多个表面。在这里，我们表明，通过允许在一个平面透镜的图像平面中的相位是一个自由参数，它是可能的校正色差在一个大的连续带宽与一个单一的衍射表面。我们实验证明使用直径> 3 mm、焦距= 5 mm（NA = 0.3，f/1.59）的单个平面透镜成像，其从0.45 μ m到1 μ m是消色差的。这种尺寸、NA和工作带宽的组合以前没有在平面透镜中得到证明。实验研究了点扩散函数、离轴像差和宽带成像性能。与传统的透镜设计相比，我们利用逆设计，其中焦平面中的相位被视为一个自由参数。这种方法获得了一个相位唯一的（无损）光瞳函数，它可以实现为一个多级衍射平面透镜，实现消色差聚焦和成像。
2020-04-25 physics.app-ph physics.optics
Achromatic imaging systems with flat lenses enabled by deep learning
针对平面透镜固有强色差阻碍其多色成像应用的问题，研究团队构建彩色户外图像数据集并训练深度学习模型校正色差，实现了可见光谱内高质量成像，推动平面透镜在多色成像系统中的落地。
2023-08-24 eess.IV physics.optics
Imaging from the Visible to the Longwave Infrared wavelengths via an inverse-designed flat lens
通常假设校正成像中的色差需要光学元件。在这里，我们表明，通过允许像平面中的相位是自由参数，可以使用单个衍射表面，即，平透镜。具体地说，我们设计、制造并表征了一个厚度为£ 10μm、直径约为1mm、焦距为18mm的平面多级衍射透镜（MDL），其在l=0.45μm（蓝光）到15μm（长波红外）的工作带宽内是恒定的。我们的实验特点的点扩散函数，像差和成像性能的相机组成的MDL和适当的图像传感器。我们进一步表明，使用模拟，这种极端的消色差MDLs可以实现，即使在高数值孔径（NA=0.81）。通过大幅增加工作带宽和消除几个折射透镜，我们的方法使更薄，更轻，更简单的成像系统。
2020-01-10 physics.optics
Power-Balanced Hybrid Optics Boosted Design for Achromatic Extended-Depth-of-Field Imaging via Optimized Mixed OTF
本文介绍的功率平衡混合光学成像系统是衍射计算相机的一种特殊设计，它采用折射透镜和多级相位掩模（MPM）成像。该系统提供了一个长的焦深与低色差由于MPM和高能量光集中由于折射透镜。我们引入了透镜和MPM之间的光功率平衡的概念，该概念控制每个元件对入射光的调制的贡献。我们的MPM设计的其他独特功能是包括MPM的形状的数量的水平和菲涅尔阶（厚度）使用平滑函数的量化。为了优化光学功率平衡以及MPM，我们建立了一个完全可微的图像形成模型，用于使用神经网络技术联合优化拟议相机的光学和成像参数。此外，我们优化了一个单一的维纳式光学传递函数（OTF）的深度不变重建清晰的图像。在可见光波长范围（400-700）nm和景深范围（0.5- $\infty$ m的数值计算和0.5- 2 m的实验测量）内，我们对所设计的系统与相应的无透镜和只有透镜的光学系统进行了数值计算和实验比较。所获得的结果表明，所提出的系统配备了最佳的OTF克服了其同行（即使当他们使用优化的OTF）在离焦距离的重建质量。仿真结果还表明，优化的光功率平衡，菲涅尔阶数，和水平参数的数量是必不可少的系统性能实现高达5dB的PSNR的改善使用优化的OTF相比，其对应的无透镜设置。
2021-07-01 eess.IV physics.optics
Free-form broadband flat lenses for visible imaging
在没有单独光圈的情况下，透镜的尺寸和焦距分别决定了其分辨率和由数值孔径（NA）和f/#定义的光收集能力。我们利用自由形式的宽带衍射光学元件（BDOE）来创建平面透镜，从f#解耦NA，从而可以独立于其光收集能力来选择透镜的分辨率。具体而言，我们设计，制造和表征了三个BDOE透镜工作在可见波段（450 nm-750 nm），每个具有f/11.25，但NA分别为0.00075，0.0067和0.054。模拟证实，这种解耦是可能的，即使在更高的NA。实验证实了消色差聚焦和宽带成像。其中一个透镜的焦深几乎比衍射极限大2个数量级。这种BDOE透镜在具有大像素尺寸的焦平面阵列中可能非常有用，其中需要保持光收集效率。此外，通过放弃旋转对称性，可以在焦斑中实现自由形式的几何形状，诸如可以更紧密地匹配传感器像素的几何形状的正方形。
2020-08-07 physics.optics
Sub-8-nm resolution AKB-mirror-based hard X-ray ptychography via generalized Wirtinger projections
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；Spallation Neutron Source Science Center, China Spallation Neutron Source（中国散裂中子源科学中心）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
提出广义Wirtinger投影算法，结合AKB镜聚焦，在HEPS实现半周期分辨率低于8纳米的硬X射线叠层成像，显著提升空间分辨率和GPU内存效率。
2026-06-12 physics.optics
A micro-optical module for multi-wavelength addressing of trapped ions
基于捕获离子阵列的大规模量子信息处理器的控制需要一种将多个激光束并行地路由和聚焦到许多捕获位点中的每一个的手段。在这里，我们结合了光纤阵列，3D激光写入波导和衍射微透镜，以展示适合这项任务的微光学互连的原理。该模块旨在与3D电极几何形状的离子微阱一起使用。它引导十个独立的激光束以独特的轨迹照射一对空间分离的目标点。三个蓝色和两个红外光束会聚在每个所需的位置精确重叠。蓝色中的典型相对串扰强度为$3.6 \times 10^{-3}$，所有通道的平均插入损耗为$8~$ dB。该模块占用$\sim 10^4$倍小于传统的散装光学等效体积，并适合于不同的离子种类。
2021-01-25 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
