Super-resolution imaging using super-oscillatory diffractive neural networks

要約

光学超発振により、回折限界を超えた遠視野超解像イメージングが可能になります。
しかし、空間超解像イメージングシステム用の既存の超振動レンズは、より高度な設計手法の欠如と設計の自由度の制限により、依然として性能上の重大な限界に直面しています。
ここでは、既存の手法よりも優れた性能で回折限界を超えたイメージングのための超解像空間分解能を達成できる光超振動回折ニューラルネットワーク、すなわちSODNNを提案します。
SODNN は、回折層を利用して光相互接続を実装し、サンプルまたは生体センサーをイメージングして非線形性を実装することによって構築されます。これにより、入射光場が変調され、3D 空間に光超振動効果が生じ、超解像焦点が生成されます。
$\lambda$ の入射波長サイズの下で 3D 光場制約を備えた回折層を最適化することで、400$\lambda を超える遠視野距離で半値全幅 0.407$\lambda$ の超振動スポットを達成しました。
$ 視野全体にサイドローブがなく、10$\lambda$ を超える長い被写界深度があります。
さらに、SODNN は、色収差を効果的に回避する多波長および多焦点スポット アレイを実装しています。
私たちの研究活動は、イメージング、センシング、知覚などの応用を促進するインテリジェントな光学機器の開発を刺激します。

要約(オリジナル)

Optical super-oscillation enables far-field super-resolution imaging beyond diffraction limits. However, the existing super-oscillatory lens for the spatial super-resolution imaging system still confronts critical limitations in performance due to the lack of a more advanced design method and the limited design degree of freedom. Here, we propose an optical super-oscillatory diffractive neural network, i.e., SODNN, that can achieve super-resolved spatial resolution for imaging beyond the diffraction limit with superior performance over existing methods. SODNN is constructed by utilizing diffractive layers to implement optical interconnections and imaging samples or biological sensors to implement nonlinearity, which modulates the incident optical field to create optical super-oscillation effects in 3D space and generate the super-resolved focal spots. By optimizing diffractive layers with 3D optical field constraints under an incident wavelength size of $\lambda$, we achieved a super-oscillatory spot with a full width at half maximum of 0.407$\lambda$ in the far field distance over 400$\lambda$ without side-lobes over the field of view, having a long depth of field over 10$\lambda$. Furthermore, the SODNN implements a multi-wavelength and multi-focus spot array that effectively avoids chromatic aberrations. Our research work will inspire the development of intelligent optical instruments to facilitate the applications of imaging, sensing, perception, etc.

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