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Inverse-Designed 3D Laser Nanoprinted Phase Masks to Extend the Depth of Field of Imaging Systems

显微镜 光学 景深 反问题 激光器 计算机科学 相(物质) 显微镜 分辨率(逻辑) 材料科学 物理 人工智能 数学 量子力学 数学分析
作者
Thomas Jebb Sturges,M. Nyman,Sebastian Kalt,Kauri Pälsi,Panu Hildén,Martin Wegener,Carsten Rockstuhl,Andriy Shevchenko
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:11 (9): 3765-3773
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.4c00953
摘要

In optical imaging, achieving high resolution often comes at the expense of a shallow depth of field. This means that when using a standard microscope, any minor movement of the object along the optical axis can cause the image to become blurry. To address this issue, we exploit inverse design techniques to optimize a phase mask which, when inserted into a standard microscope, extends the depth of field by a factor of approximately four without compromising the microscope's resolution. Differentiable Fourier optics simulations allow us to rapidly iterate toward an optimized design in a hybrid fashion, starting with gradient-free Bayesian optimization and proceeding to a local gradient-based optimization. To fabricate the device, a commercial two-photon 3D laser nanoprinter is used, in combination with a two-step precompensation routine, providing high fabrication speed and much better than subwavelength accuracy. We find excellent agreement between our numerical predictions and the measurements upon integrating the phase mask into a microscope and optically characterizing selected samples. The phase mask enables us to conduct simultaneous multiplane imaging of objects separated by distances that cannot be achieved with the original microscope.

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