微小超材料镜头捕捉高级照片替代笨重的传统光学

SAMUEL PINILLA AND IGOR SHEVKUNOV

一项新的研究发现，利用使“隐形斗篷”成为可能的光扭曲物理现象，科学家们开发了一种小型、轻便的相机，可以拍摄体积是其100多倍的商用数码相机一样好或更好的照片，有可能用于智能手机和其他便携式设备。

现代相机通常有多个镜头，这有助于它们捕捉高质量的图像，但也使相机变得又大又重。这种体积使得高端相机无法轻易集成到智能手机、无人机和视频设备等移动设备中。

为了使相机小型化，科学家们越来越多地探索由超结构材料制成的平面光学器件，其结构包含的重复图案的尺度小于设计用于操纵的结构的特征波长。光学超结构是为了操纵电磁辐射而制造的，它可以以意想不到的方式弯曲光线，从而产生纳米级的隐形斗篷和其他设备。

另一种帮助相机小型化的策略是计算成像，它使用软件来纠正光学组件的任何缺点。先前的研究表明，将超材料制成的光学器件（也称为超光学器件）与计算成像相结合，可能会使用微米厚的光学器件获得高质量的图像。

在设计元光学时，一个主要问题是研究人员在计算建模光与所有光学组件之间的复杂相互作用时面临的非凡困难。芬兰坦佩雷大学的研究合著者Karen Egiazarian表示，这意味着，尽管超光学理论上有很大的潜力，但科学家最终制造的超光学材料往往比传统光学方法提供的图像质量差得多。

在这项新的研究中，研究人员探索了一种“硬件在环”策略，在该策略中，他们使用实际的透镜和传感器进行实验，而不是对这些组件的行为进行计算建模。研究人员指出，这有助于将开发元光学的处理需求大幅减少至少一百倍，将内存需求大幅减少了至少十倍。

由此产生的混合超光学器件由4.5毫米厚的标准折射透镜组成，该透镜覆盖有500µm厚的石英超光学薄膜，该薄膜覆盖在700纳米高的方形氮化硅柱中。在实验中，科学家们使用混合元光学和计算成像技术拍摄了0.5至1.8米外的图像照片。

研究人员表示，这种新的单镜头设备拍摄的全彩照片的质量与索尼SEL85F18复合镜头的商用索尼Alpha 1 III微单相机拍摄的照片一样好或更好。

“与最先进的方法相比，这种硬件在环方法能够产生更好的光学效果，”该研究的合著者、坦佩雷大学的Vladimir Katkovnik说。

与此同时，新设备的体积还不到索尼系统体积的1%。

“我认为目前最有影响力的应用是为智能手机设计新一代定制相机，”该研究的主要作者Samuel Pinilla在英国哈韦尔科技设施委员会表示。“我们也对生物医学应用感兴趣。”Egiazarian说，未来的研究还可以探索超光谱成像和图像分类等元光学应用。

新装置的混合元光学器件只有5毫米宽。研究人员建议，未来他们可以开发更广泛的元光学系统，收集更多的光以获得更高的图像质量。然而，坦佩雷的研究合著者Igor Shevkunov表示，制造这种光学器件“仍然是一个发展中的领域，需要在这里取得更多突破才能成功实现给定的设计”。

科学家们在5月26日的《科学进展》杂志（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7297）上详细介绍了他们的发现。