南大團隊研發新型平面廣角相機:超輕薄,廣角成像無畸變

2022-04-29 14:36:51

文 | 《中國科學報》實習生 馬靜 記者 李晨陽

編輯 | 賀濤

為什么拍合影別往邊上站?因為相機鏡頭都有畸變,越往邊緣越嚴重,整個人都可能給扯變形。

傳統單反相機除了貴,最大痛點是什么?鏡頭太沉了。

如今,南京大學教授李濤團隊設計出一種新型的平面廣角相機——單層超構透鏡陣列廣角相機(metalens array integrated wide-angle camera,MIWC),一舉解決了上述難題。最大的突破就在新研制的鏡頭上,它十分輕薄,僅1微米。但可實現較高質量的廣角成像,并且沒有畸變。

近日,這項研究成果發表在國際光學領域頂級期刊Optica上。

仔細觀察普通相機鏡頭時會發現,其內部是由許多曲面透鏡層層疊加組成。

為什么不用單個透鏡呢?

這是由于傳統透鏡對于不同波長的光具有不同的折射率,單層透鏡無法將各種光線聚焦于同一點,容易產生色差和像差。其中像差的存在會限制透鏡的視場角,使得單個透鏡無法獲得廣角的清晰成像。因此,鏡頭廠商們便將多個不同厚度和材質的透鏡層層疊加,以解決成像的色差與像差問題。

即便如此,消除色像差的透鏡模組在廣角成像時往往還存在像畸變的問題,就像本文開頭所說的,大家在合影時遇到的窘境。

而且,這種透鏡疊加也帶來了新的問題:疊加的透鏡越多,確實會讓成像質量越好,但鏡頭的重量也越來越大——這樣的“長槍短炮”往往會給拍攝者帶來不小的攜帶負擔。

那么,是否有一種輕薄的平面透鏡,能夠有效減輕鏡頭的重量呢?針對更高要求的專業成像系統,如天文望遠鏡、高倍顯微鏡等,有沒有可能實現便攜化呢?

在這些問題的驅動下,李濤研究團隊展開了對微納光學的深入研究,并在一種名為“超構透鏡”的新型透鏡上找到了突破口。

超構透鏡源自于超構材料與超構表面,是一種具有納米結構扁平表面(超構表面)的新型透鏡。與傳統透鏡相比,超構透鏡具有輕薄小巧、平面結構等特征,能夠在減少畸變的情況下,大大提升透鏡聚焦光線的能力。

借助于超構透鏡超輕、超薄的優勢,李濤團隊設計出了一種基于超構透鏡陣列的平面廣角相機,實現了超過120°視角高質量的廣角成像功能。

超薄平面超構透鏡廣角相機實物照

“考慮到單個透鏡無法獲得比較大的視角,我們選擇了另辟蹊徑。”李濤向《中國科學報》介紹道,“不再縱向疊加,而是將一系列超構透鏡橫向平鋪展開,形成單層超構透鏡陣列,充分發揮了透鏡超輕薄的優勢,使每個鏡頭都能捕捉廣角場景中的一部分。然后通過計算,將每個圖像中最清晰的部分拼接在一起,從而生成最終的高質量廣角圖像。”

在演示實驗中,研究人員分別使用單個超構透鏡與陣列式的超構透鏡廣角相機,對投影在曲面屏幕上的“NANJING UNIVERSITY(南京大學)”字樣進行成像。

結果顯示,該超構透鏡構成的平面相機可以在不降低分辨率的情況下,極大地擴展了視場范圍,在120度范圍內都能獲得無畸變清晰的成像。

左:成像裝置示意圖;右上:單個超構透鏡成像結果;右下:超構透鏡廣角相機成像結果

傳統的廣角成像通常使用魚眼復合鏡頭或其他類型的多層鏡頭,由于體積較大,應用的場景往往受限。

而超構透鏡輕薄小巧,不僅可以應用于自動駕駛、無人機監控等場景中,提高廣角成像的性能和安全性,而且還能應用于顯微鏡等微觀場景中,在保證成像質量的前提下,擴大顯微鏡的觀察視野,使細節與全貌“完美”兼得。

甚至,在不久的將來,超構透鏡還能深入抵達狹小的空間內,例如精密實驗儀器的內部,為實驗儀器的檢查與維修帶來極大的便利。

“我們做的超構透鏡成像技術并非完全瞄準取代性的應用,而是有望發展出全新的應用領域,讓之前的不可能變為可能,讓想象變為現實。”李濤表示。

參考鏈接:

https://www.optica.org/en-us/about/newsroom/news_releases/2022/april/researchers_create_miniature_wide-angle_camera_wit/

https://www.eurekalert.org/news-releases/949421

https://eng.nju.edu.cn/a4/88/c4967a566408/page.htm

https://www.sohu.com/a/425165388_100034932

標簽: 平面廣角相機 廣角成像

關閉
新聞速遞
免费看三级片