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(tǒng)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(shè)計出一種新型的平面廣角相機——單層超構(gòu)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(xiàn)較高質(zhì)量的廣角成像，并且沒有畸變。
近日，這項研究成果發(fā)表在國際光學領(lǐng)域頂級期刊Optica上。
仔細觀察普通相機鏡頭時會發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)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(tǒng)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(yè)成像系統(tǒng)，如天文望遠鏡、高倍顯微鏡等，有沒有可能實現(xiàn)便攜化呢？
在這些問題的驅(qū)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(gòu)透鏡”的新型透鏡上找到了突破口。
超構(gòu)透鏡源自于超構(gòu)材料與超構(gòu)表面，是一種具有納米結(jié)構(gòu)扁平表面（超構(gòu)表面）的新型透鏡。與傳統(tǒng)透鏡相比，超構(gòu)透鏡具有輕薄小巧、平面結(jié)構(gòu)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(gòu)透鏡超輕、超薄的優(yōu)勢，李濤團隊設(shè)計出了一種基于超構(gòu)透鏡陣列的平面廣角相機，實現(xiàn)了超過120°視角高質(zhì)量的廣角成像功能。
超薄平面超構(gòu)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(gòu)透鏡橫向平鋪展開，形成單層超構(gòu)透鏡陣列，充分發(fā)揮了透鏡超輕薄的優(yōu)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(zhì)量廣角圖像。”
在演示實驗中，研究人員分別使用單個超構(gòu)透鏡與陣列式的超構(gòu)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(jié)果顯示，該超構(gòu)透鏡構(gòu)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(nèi)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(gòu)透鏡成像結(jié)果；右下：超構(gòu)透鏡廣角相機成像結(jié)果
傳統(tǒng)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(yīng)用的場景往往受限。
而超構(gòu)透鏡輕薄小巧，不僅可以應(yīng)用于自動駕駛、無人機監(jiān)控等場景中，提高廣角成像的性能和安全性，而且還能應(yīng)用于顯微鏡等微觀場景中，在保證成像質(zhì)量的前提下，擴大顯微鏡的觀察視野，使細節(jié)與全貌“完美”兼得。
甚至，在不久的將來，超構(gòu)透鏡還能深入抵達狹小的空間內(nèi)，例如精密實驗儀器的內(nèi)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(gòu)透鏡成像技術(shù)并非完全瞄準取代性的應(yīng)用，而是有望發(fā)展出全新的應(yīng)用領(lǐng)域，讓之前的不可能變?yōu)榭赡埽屜胂笞優(yōu)楝F(xiàn)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
