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Oct 30, 2023

Lente piatta bifocale con diverse caratteristiche di imaging per un duale

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 18996 (2022) Cita questo articolo 785 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche Le immagini con ampio campo visivo (FOV) e le immagini ingrandite possono essere scattate simultaneamente

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Immagini con ampio campo visivo (FOV) e immagini ingrandite possono essere acquisite simultaneamente da sistemi di imaging a doppio sensore. Qui, proponiamo un approccio per la creazione di una lente bifocale piatta con diverse caratteristiche di imaging dei suoi due fuochi, che rende i sistemi di imaging a doppio sensore più integrati e miniaturizzati. Cioè si estraggono due parti speciali di due diverse ZP convenzionali e poi si combinano i due elementi in modo specifico. In modo che ci siano due fuochi con caratteristiche diverse lungo l'asse ottico, uno è a fuoco lungo con risoluzione più elevata, l'altro è a fuoco corto con lunga profondità di fuoco (DOF). Nell'ambito dell'approccio proposto, viene sviluppata una lente diffrattiva bifocale (BDL) sottile e leggera con uno spessore di 0,6 μm. Le lunghezze focali lunga e corta del BDL sono rispettivamente ~ 81 mm e ~ 27 mm, con un diametro di 6 mm. Dimostriamo sperimentalmente che la messa a fuoco lunga del BDL è in grado di acquisire immagini ingrandite ad alta risoluzione e la sua risoluzione arriva fino a 21,90″. La messa a fuoco breve è in grado di acquisire un ampio FOV con immagini DOF lunghe e due oggetti distanti 2880 mm l'uno dall'altro possono essere ripresi chiaramente. I risultati dell'esperimento dimostrano che tutti questi parametri sono migliori di quelli di una lente rifrattiva convenzionale.

Nel sistema di imaging, l'imaging con ingrandimento e l'imaging con campo visivo ampio (FOV) sono molto importanti per ottenere maggiori informazioni1. Le applicazioni che richiedono imaging con ingrandimento e imaging con ampio campo visivo spaziano dalla sorveglianza2 alla medicina3,4,5 fino all'intelligenza artificiale6,7. Poiché con un solo fuoco in un sistema di imaging convenzionale, è necessario lo zoom per acquisire immagini ingrandite e immagini con FOV ampio, il che significa che immagini ingrandite e immagini con FOV ampio non possono essere acquisite contemporaneamente dai sistemi di imaging con zoom convenzionali. Inoltre, i sistemi di imaging con zoom sono molto spessi e ingombranti e il processo di zoom richiede molto tempo ed è difficile da bilanciare bene con un ampio FOV e un'alta risoluzione. Per risolvere questi problemi, sono stati proposti molti approcci, come l'imaging a serie di lenti8,9,10,11,12,13,14 e l'imaging foveato15,16,17,18 e il sistema a doppia fotocamera19 e il sistema di imaging a doppio sensore20. Tuttavia, gli svantaggi di questi approcci sono molto ingombranti e complicati a causa della presenza di più di una lente, il che ne limita l'applicazione in campi ampi.

Per motivi di leggerezza, integrazione e miniaturizzazione, le lenti piatte con due fuochi forniscono una soluzione per il sistema di imaging a doppio sensore, il che significa che la messa a fuoco lunga consente l'imaging con ingrandimento ad alta risoluzione, mentre la messa a fuoco corta consente un FOV ampio con imaging DOF lungo, contemporaneamente. Le lenti piatte includono metalli e elementi ottici diffrattivi (DOE) ed entrambi sono in grado di manipolare liberamente la fase della luce. Inoltre, la manipolazione della polarizzazione può essere ottenuta mediante metalensi21. I metalense sono nuovi dispositivi ottici proposti negli ultimi anni22,23 e possono raggiungere il fronte d'onda progettato disponendo attentamente queste unità, incluso l'acromatismo24,25 e l'imaging di polarizzazione26. Tuttavia, in questo documento si tratta di un problema di controllo di fase anziché di controllo di polarizzazione, ed è una grande sfida progettare e fabbricare un metalens con caratteristiche costitutive più grandi rispetto ai DOE27. Pertanto, i DOE sono più adatti a soddisfare questi requisiti e sono molto più semplici da produrre grazie allo sviluppo della tecnologia fotolitografica, che li rende accessibili alla produzione in grandi volumi e a basso costo. Esistono due approcci comuni per progettare un DOE multifocale, inclusa l'ottimizzazione della distribuzione dell'intensità data28,29,30,31 e la progettazione degli ordini di diffrazione32,33,34. Per il primo approccio, cioè, vengono utilizzati alcuni algoritmi per ottimizzare gli elementi ottici per formare una determinata distribuzione di intensità lungo l'asse ottico. Per il secondo approccio, si tratta di una binarizzazione di una lente ordinaria, ovvero compaiono ordini di diffrazione aggiuntivi lungo l'asse ottico. Entrambi sono stati studiati a lungo e sono ben conosciuti. Tuttavia, lo svantaggio del primo approccio è che richiedono un algoritmo di ottimizzazione per ottimizzare la distribuzione dell'intensità data lungo l'asse ottico, il che richiede tempo ed è difficile da produrre DOE multifocali di grandi dimensioni. Lo svantaggio del secondo approccio è che sull'asse ottico compaiono una serie di macchie focali aggiuntive, riducendo la qualità dell'immagine del fuoco primario di cui abbiamo bisogno. Inoltre, è difficile ottenere le caratteristiche focali previste lungo l'asse ottico mediante binarizzazione di una lente ordinaria per produrre fuochi aggiuntivi.