극단론자

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2732(2022) 이 기사 인용

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끊임없이 추구되는 이상적인 이미징은 평면 분포와 깊이를 포함한 3차원 공간정보(3D), 색상, 즉 스펙트럼 정보(1D) 등 시야에 있는 물체의 모든 종류의 광학 정보의 수집이 필요합니다. ). 3차원 공간 이미징과 스펙트럼 이미징은 개별적으로 빠르게 발전했지만 이들의 간단한 조합은 번거로운 시스템으로 4차원(4D) 이미징의 실제 적용을 심각하게 방해합니다. 여기에서는 가로 분산형 금속 배열과 흑백 이미징 센서를 사용하여 초소형 스펙트럼 라이트 필드 이미징(SLIM)을 시연합니다. 단 하나의 스냅샷으로 SLIM은 4nm 스펙트럼 분해능과 회절 한계에 가까운 공간 분해능을 갖춘 고급 이미징을 제공합니다. 결과적으로, 시각적으로 구별할 수 없는 물체와 재료는 SLIM을 통해 식별될 수 있으며, 이는 이상적인 플렌옵틱 이미징을 향한 상당한 진전을 촉진합니다.

광학 이미징은 거대한 산과 건물에서부터 미세한 세포, 심지어 분자에 이르기까지 물체의 공간 정보를 수집하는 데 널리 사용되는 중요한 기술입니다. 평면 이미징의 깊이 해상도 부족을 해결하기 위해 명시야 이미징1,2, 스테레오 비전3, 구조광 조명4, 추가 광원을 사용한 비행 시간법5 등 다양한 3차원(3D) 이미징 기술이 개발되었습니다. 촬영된 장면이나 사물의 3차원 공간정보를 효과적으로 얻기 위해 사용됩니다. 또한 Maxwell의 삼원색 이론에 기초한 컬러 이미징은 모든 스펙트럼을 단일 강도로 통합하는 기존 흑백 이미징에 새로운 차원, 즉 스펙트럼 차원을 도입합니다. 삼색 메커니즘(빨간색, 녹색, 파란색)이 상품 이미징 및 디스플레이 제품에 광범위하게 사용되지만 재료 식별, 산업 검사 및 등색 인식과 같은 다양한 응용 시나리오에서 전체 스펙트럼 정보에 대한 요구가 점점 더 시급해지고 있습니다. 따라서 전통적인 이미징과 분광학의 통합은 광학 이미징 진화의 불가피한 추세가 되었습니다. 지난 10년 동안 CASSI(코드화된 조리개 스냅샷 스펙트럼 이미저)6, CTIS(컴퓨터 단층 촬영 이미징 분광계)7, PMIS(프리즘-마스크 변조 이미징 분광계)8 등 전통적인 평면 이미징을 결합한 많은 효율적인 스펙트럼 이미징 기술이 개발되었습니다. . 인상적인 성능과 스냅샷 기능에도 불구하고 프리즘, 렌즈, 격자, 마스크 등 카메라에 내장된 모든 종류의 광학 요소는 매우 번거로워서 카메라의 광범위한 적용을 심각하게 방해합니다. 반면, 초소형 크기와 고품질 성능으로 4차원 정보(4D 정보: 3차원 공간 정보와 1차원 스펙트럼 정보)를 획득할 수 있는 첨단 영상 기술은 아직까지 입증되지 않았다.

최근 메타표면은 소형화로 인해 무겁고 복잡한 벌크 광학 장치에 대한 유망한 대안이 되었습니다. 나노 안테나의 조밀한 배열로 구성된 메타표면은 입사광의 위상, 강도, 편광, 궤도 각 운동량 및 주파수를 정밀하게 제어할 수 있습니다9,10,11,12,13. 현재까지 모든 메타표면 기반 평면 광소자 중에서 금속렌즈가 가장 기본적이고 두드러집니다. 나노 안테나를 맞춤화함으로써 초박형 금속 렌즈는 효율성16, 개구수(NA)17, 광대역 무채색18,19, 코마 상쇄20 등의 측면에서 동등하거나 훨씬 더 나은 성능을 보여주었습니다. 아주 최근에는 금속 배열 기반 라이트 필드 이미징은 또한 색수차 없이 가시 영역에서 3D 정보를 얻는 것으로 입증되었습니다. 선구적인 연구에서는 메타표면이나 기타 나노구조를 활용하여 컴팩트한 구성에서 고품질 스펙트럼을 얻었습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 발전은 스펙트럼 정보 획득을 위한 좋은 기반이지만, 4D 이미징은 고품질 스펙트럼과 3D 공간 해상도를 동시에 달성하기 어렵기 때문에 아직까지 갈 길이 멀습니다. 이 작업에서는 가로 분산형 금속 배열을 활용하여 흑백 센서를 사용하여 단일 스냅샷을 통해 4D 정보를 기록하는 초소형 스펙트럼 라이트 필드 이미징(SLIM)을 시연합니다.