工程师制作出完全平坦的鱼眼镜头

— 单块玻璃可产生清晰的全景图像

日期:2020年9月18日
资源:麻省理工学院
概要:工程师设计了完全平坦的广角镜。它是第一台可产生清晰的180度全景图像的平面鱼眼镜头。

为了单张拍摄全景图像,摄影师通常使用鱼眼镜头-由多块曲面玻璃制成的超广角镜头,它们会使入射的光线扭曲以产生宽阔的气泡状图像。其球形,多件式设计使鱼眼镜头固有地体积庞大,而且生产成本通常很高。

现在,麻省理工学院和洛厄尔的马萨诸塞州大学的工程师已经设计了完全平坦的广角镜头。它是第一台可产生清晰的180度全景图像的平面鱼眼镜头。这种设计是一种“金属材料”,一种具有薄层特征的薄晶圆材料,具有微观特征,这些特征共同作用以特定方式操纵光。

在这种情况下,新的鱼眼镜头由一块平坦的毫米薄玻璃片组成,该玻璃片的一侧覆盖着微结构,可以精确地散射入射光以产生全景图像,就像传统的弯曲多元素鱼眼镜头组件一样。该镜头在光谱的红外部分起作用,但研究人员表示,也可以对其进行修改以使用可见光捕获图像。

新的设计可能会适应多种应用,将超薄超广角镜头直接内置在智能手机和笔记本电脑中,而不是作为庞大的附件进行物理连接。低调镜头也可能集成到诸如内窥镜之类的医学成像设备中,以及虚拟现实眼镜,可穿戴电子设备和其他计算机视觉设备中。

麻省理工学院材料科学与工程系副教授Juejun Hu说:“这种设计有些令人惊讶,因为有些人认为不可能制造出具有超宽视野的金属粉。” “实际上可以实现鱼眼图像的事实完全超出了预期.This isn’t just light-bending — it’s mind-bending.”

胡和他的同事在纳米信杂志上发表了他们的结果。胡的MIT合著者是Mikhail Shalaginov,Fan Yang,Peter Su,Dominika Lyzwa,Anuradha Agarwal和Tian Gu,以及UMass Lowell的Sensong An和Huahua Zhang。

背面设计

虽然超透镜仍处于实验阶段,但具有显着改变光学领域的潜力。以前,科学家设计过的超透镜可以产生高达60度的高分辨率和相对广角的图像。为了进一步扩大视野,传统上将需要额外的光学组件来校正像差或模糊度-一种解决方法将给金属设计增加体积。

Hu和他的同事提出了一种简单的设计,不需要额外的组件,并且可以使元素数量最少。他们的新金属盐是由氟化钙制成的透明单件,在其一侧上沉积了一层碲化铅薄膜。然后,研究小组使用光刻技术将光学结构的图案雕刻到胶片中。

正如研究团队所指的那样,每个结构或“元原子”都被成形为几​​种纳米级几何形状中的一种,例如矩形或骨头形配置,以特定方式折射光。例如,光可能需要更长的时间才能散射,或者从一种形状传播到另一种形状,这是众所周知的相位延迟现象。

在传统的鱼眼镜头中,玻璃的曲率自然会产生相位延迟的分布,最终产生全景图像。研究小组确定了相应的亚原子图案,并将该图案雕刻到平板玻璃的背面。

胡说:“我们设计的背面结构使每个部分都能产生完美的聚焦。”

在正面,团队放置了一个光学孔或光孔。

Shalaginov解释说:“当光线通过该孔进入时,它将在玻璃的第一表面折射,然后成角度地分散。” “然后,光线将以不同但连续的角度照射到背面的不同部分。只要正确地设计了背面,就可以确保在整个全景图中实现高质量的成像。”

跨全景

在一个演示中,将新镜头调整为在光谱的中红外区域工作。该团队使用配备了金属元素的成像装置来拍摄条纹目标的照片。然后,他们比较了在整个场景中以不同角度拍摄的照片的质量,发现新镜头产生的条纹图像清晰,清晰,甚至在相机视野的边缘,也跨越了近180度。

Gu说:“这表明我们可以使用我们的方法在几乎整个180度视角上实现完美的成像性能。”

在另一项研究中,该团队设计了金属离子,以非晶硅纳米柱为准原子,可在近红外波长下工作。他们将金属元素插入用于测试成像仪器的模拟中。接下来,他们为模拟场景提供巴黎场景,该场景由缝合在一起以形成全景的黑白图像组成。然后,他们进行了仿真,以查看新镜头会产生什么样的图像。

顾说:“关键问题是,镜头是否能覆盖整个视野?我们看到它捕获了整个全景图。” “无论看到的是中心还是边缘,您都可以看到建筑物和人物,并且分辨率非常好。”

研究小组说,新镜头可以适应其他波长的光。胡说,例如,为了制造类似的可见光平面鱼眼镜头,可能必须使光学特征变得比现在更小,以更好地折射特定波长范围。镜片材料也必须更换。但是团队设计的总体架构将保持不变。

研究人员正在探索其新型镜头的应用,这些镜头不仅可以用作紧凑型鱼眼镜头,还可以用作全景投影仪,以及直接内置在智能手机,笔记本电脑和可穿戴设备中的深度传感器。

“目前,所有3D传感器的视野都是有限的,这就是为什么当您将脸部远离智能手机时,它无法识别您的原因,” Gu说。“我们这里拥有的新型3D传感器能够实现全景深度剖析,这可能对消费电子设备很有用。”

资料来源:麻省理工学院(内容长度经过编辑)
参考资料:Mikhail Y. Shalaginov,Sensong An,Fan Yang,Peter Su,Dominika Lyzwa,Anuradha M.Agarwal,Zhanghualiang,Juejun Hu,Tian Gu。 Single-Element Diffraction-Limited Fisheye Metalens . Nano Letters,2020; DOI:10.1021 / acs.nanolett.0c02783

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