据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学的研究人员设计了一款新型紧凑型相机，该相机利用超透镜（metalens）阵列——可操纵光的平面纳米结构表面，以获取高质量的广角图像。通过消除此类成像通常需要的笨重镜头，这种新方法可以将广角相机集成到智能手机、汽车或无人机等的便携式/移动式成像设备中。
基于超透镜阵列的广角相机的原理及架构示意图
来自南京大学的李涛及其同事们在Optica期刊上报道了他们的新型超薄广角相机。这台厚度仅有0.3 cm的新型相机，可以生成超过120°视角的清晰场景图像。
广角成像对于捕捉大量信息非常有用，这些信息可以生成令人惊叹的高质量图像。对于自动驾驶和基于无人机的监控等机器视觉应用，广角成像可以提高其性能和安全性，例如，通过广角相机可以显示在车辆倒车时无法看到的障碍物。
李涛说：“为了开发这款极其紧凑的广角相机，我们使用了超透镜阵列，每个超透镜都可以捕捉到广角场景的某些部分，然后，这些图像被拼接在一起以生成一幅完整的广角图像，而图像质量并不会降低。”
广角透镜的微型化
广角成像通常使用鱼眼复合透镜或其他类型的多层透镜来完成。尽管研究人员之前曾尝试使用超透镜来开发广角相机，但它们往往图像质量差或会受到其他缺点的影响。
在这项最新的研究工作中，研究人员使用了超透镜阵列，每个超透镜都经过精心设计，以聚焦不同的照射角度范围。这使得每个透镜都能清晰地拍摄广角物体或场景的一部分。然后，每幅图像中最清晰的部分可以通过计算拼接在一起，以生成最终图像。
李涛说：“由于超表面（metasurface）的灵活设计，每个超透镜的聚焦和成像性能都可以独立优化，这将在拼接处理后产生高质量的最终广角图像。此外，这种超透镜阵列可以仅使用一层材料来制造，这将有助于降低成本。”
利用平面超透镜看得更广
为了证明这种新方法的有效性，研究人员使用纳米制造技术制造了一个超透镜阵列，并将其直接安装到CMOS图像传感器上，构建了一个尺寸约为1 cm × 1 cm × 0.3 cm的平面相机。然后，他们使用这台相机拍摄了一个广角场景，该场景通过使用两台投影仪照射在相机周围15 cm距离的曲面屏幕而生成。
基于超透镜阵列的广角相机的成像效果
他们将基于新型超透镜阵列的广角相机与基于单个传统超透镜的相机进行了比较，同时对投影在曲面屏幕上的“Nanjing University”字样进行了成像。新型广角相机生成的图像可以清晰地显示每个字母，并且具有大于120°的视场角——是传统超透镜相机的三倍以上。
研究人员指出，这项研究中展示的新型广角相机使用的单个超透镜的直径仅为0.3 mm。他们计划将其直径扩大到大约1到5 mm，以提高相机的成像质量。优化后的超透镜阵列可以批量生产以降低每个器件的成本。
这项研究工作得到了国家重点研发计划（2016YFA0202103）、国家自然科学基金（91850204，12104223）和南京大学“登峰人才支持计划（B类）”的资助。
论文信息：
Ji Chen et al, Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array, Optica (2022).
DOI: 10.1364/OPTICA.446063
延伸阅读：
《超材料和超表面技术及市场-2021版》
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
