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南大团队研发新型平面广角相机:超轻薄,广角成像无畸变

文 | 《中国科学报》实习生 马静 记者 李晨阳

编辑 | 贺涛

为什么拍合影别往边上站?因为相机镜头都有畸变,越往边缘越严重,整个人都可能给扯变形。

传统单反相机除了贵,最大痛点是什么?镜头太沉了。

如今,南京大学教授李涛团队设计出一种新型的平面广角相机——单层超构透镜阵列广角相机(metalens array integrated wide-angle camera,MIWC),一举解决了上述难题。最大的突破就在新研制的镜头上,它十分轻薄,仅1微米。但可实现较高质量的广角成像,并且没有畸变。

近日,这项研究成果发表在国际光学领域顶级期刊Optica上。

仔细观察普通相机镜头时会发现,其内部是由许多曲面透镜层层叠加组成。

为什么不用单个透镜呢?

这是由于传统透镜对于不同波长的光具有不同的折射率,单层透镜无法将各种光线聚焦于同一点,容易产生色差和像差。其中像差的存在会限制透镜的视场角,使得单个透镜无法获得广角的清晰成像。因此,镜头厂商们便将多个不同厚度和材质的透镜层层叠加,以解决成像的色差与像差问题。

即便如此,消除色像差的透镜模组在广角成像时往往还存在像畸变的问题,就像本文开头所说的,大家在合影时遇到的窘境。

而且,这种透镜叠加也带来了新的问题:叠加的透镜越多,确实会让成像质量越好,但镜头的重量也越来越大——这样的“长枪短炮”往往会给拍摄者带来不小的携带负担。

那么,是否有一种轻薄的平面透镜,能够有效减轻镜头的重量呢?针对更高要求的专业成像系统,如天文望远镜、高倍显微镜等,有没有可能实现便携化呢?

在这些问题的驱动下,李涛研究团队展开了对微纳光学的深入研究,并在一种名为“超构透镜”的新型透镜上找到了突破口。

超构透镜源自于超构材料与超构表面,是一种具有纳米结构扁平表面(超构表面)的新型透镜。与传统透镜相比,超构透镜具有轻薄小巧、平面结构等特征,能够在减少畸变的情况下,大大提升透镜聚焦光线的能力。

借助于超构透镜超轻、超薄的优势,李涛团队设计出了一种基于超构透镜阵列的平面广角相机,实现了超过120°视角高质量的广角成像功能。

超薄平面超构透镜广角相机实物照

“考虑到单个透镜无法获得比较大的视角,我们选择了另辟蹊径。”李涛向《中国科学报》介绍道,“不再纵向叠加,而是将一系列超构透镜横向平铺展开,形成单层超构透镜阵列,充分发挥了透镜超轻薄的优势,使每个镜头都能捕捉广角场景中的一部分。然后通过计算,将每个图像中最清晰的部分拼接在一起,从而生成最终的高质量广角图像。”

在演示实验中,研究人员分别使用单个超构透镜与阵列式的超构透镜广角相机,对投影在曲面屏幕上的“NANJING UNIVERSITY(南京大学)”字样进行成像。

结果显示,该超构透镜构成的平面相机可以在不降低分辨率的情况下,极大地扩展了视场范围,在120度范围内都能获得无畸变清晰的成像。

左:成像装置示意图;右上:单个超构透镜成像结果;右下:超构透镜广角相机成像结果

传统的广角成像通常使用鱼眼复合镜头或其他类型的多层镜头,由于体积较大,应用的场景往往受限。

而超构透镜轻薄小巧,不仅可以应用于自动驾驶、无人机监控等场景中,提高广角成像的性能和安全性,而且还能应用于显微镜等微观场景中,在保证成像质量的前提下,扩大显微镜的观察视野,使细节与全貌“完美”兼得。

甚至,在不久的将来,超构透镜还能深入抵达狭小的空间内,例如精密实验仪器的内部,为实验仪器的检查与维修带来极大的便利。

“我们做的超构透镜成像技术并非完全瞄准取代性的应用,而是有望发展出全新的应用领域,让之前的不可能变为可能,让想象变为现实。”李涛表示。

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

posted @ 22-05-07 07:31 作者:admin  阅读:

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