研發(fā)零點三厘米厚新型平面廣角相機 可實現(xiàn)一百二十度視角且無畸變的高質(zhì)量廣角成像

人們有時會發(fā)現(xiàn)，拍合影時人像越往邊緣變形越嚴重，這是因為相機鏡頭存在畸變現(xiàn)象。為減輕這一不利結果，在人數(shù)眾多的合照拍攝中發(fā)揮出色的效果，可采用能幫助捕獲大量信息的廣角成像。

此外，廣角成像還能夠?qū)Φ湫蜋C器視覺應用的綜合表現(xiàn)進行優(yōu)化，如在自動駕駛中顯示車輛倒車時無法看到的障礙物等。

據(jù)了解，傳統(tǒng)廣角成像中使用的體塊折射型透鏡重量和體積過大，在應用方面多有限制。近年來，研究人員嘗試用具有極薄尺寸的超構透鏡來取代體塊折射型透鏡，并通過“雙層超表面結構、二次相位型超表面結構”等方案來進一步增大超構透鏡的視角范圍。

然而，目前這些方案的綜合性能還不夠理想，尚未實現(xiàn)高度緊湊的實用化廣角成像系統(tǒng)。

MIWC的廣角成像原理及器件架構示意圖

近期，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院李濤教授團隊基于超構透鏡陣列研發(fā)出一種新型平面廣角相機——單層超構透鏡陣列廣角相機，該相機僅0.3厘米厚，卻擁有超過120度的視角，可以更好地實現(xiàn)廣角成像，且不會發(fā)生畸變，可應用在車載/機載監(jiān)控、遙感及檢測等便攜式成像設備中。

李濤告訴媒體，“由于超表面的靈活設計，這款相機中每個超構透鏡的聚焦和成像性能都可以獨立優(yōu)化，從而在拼接處理后實現(xiàn)高質(zhì)量的最終廣角圖像。此外，其超構透鏡陣列都是單層結構完成，方便制造并有助于降低成本?！?/p>

李濤

2022年4月14日，相關論文以《超構透鏡陣列支持的平面廣角成像相機》為題發(fā)表，李濤為論文的通訊作者。

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超構透鏡的相分布和納米結構

據(jù)了解，超構透鏡是在2016年被提出，相較傳統(tǒng)透鏡，其更小、更薄，相位設計靈活等優(yōu)勢，并且可以根據(jù)具體的應用場景進行優(yōu)化設計。除廣角成像外，這種透鏡還能應用于顯微鏡等微觀場景中，兼顧成像細節(jié)和視野全貌。

在這項研究中，該團隊打造了一款不犧牲成像性能的單層超構透鏡陣列集成廣角相機，其首先使用多個精心設計的超構透鏡，來清晰捕捉廣角畫面的不同角度的部分，再通過算法將每個子透鏡獲得的高清圖像部分的拼接起來，從而得到整個場景的高質(zhì)量廣角圖像。

李濤表示，“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。不再縱向疊加，而是將一系列超構透鏡橫向平鋪展開，形成單層超構透鏡陣列，充分發(fā)揮了透鏡超輕薄的優(yōu)勢?！?/p>

研究中，該團隊還對其開發(fā)集成廣角相機和單個超構透鏡的成像性能作了各方面的綜合分析，并計算了不同光照角度下它們對光的聚焦效率及其調(diào)制傳遞函數(shù)等，以驗證集成廣角相機在大角度光成像性能上的優(yōu)勢。結果表明，“陣列中的每個超構透鏡都可以聚焦不同角度范圍的光照角度，并覆蓋120度的視角范圍?！?/p>

接著，研究人員基于納米制造技術設計了超構透鏡陣列，并將其直接集成到互補金屬氧化物半導體圖像傳感器上，最終開發(fā)出一個大小為1厘米×1厘米×0.3厘米的小型化平面廣角相機。

MIWC的聚焦性能

最后，該團隊同時運用基于單一傳統(tǒng)超構透鏡和陣列式超構透鏡的廣角相機，對已投影在屏幕上的“NANJING UNIVERSITY”字樣進行成像對比。研究發(fā)現(xiàn)，陣列式超構透鏡構成的平面相機不僅能夠把所有字母高清地顯示出來，而且能在不降低分辨率的情況下大幅擴展視角范圍，具體已達到了120度以上，超出單一超構透鏡的3倍以上。

事實上，這并不是該團隊第一次通過超構透鏡陣列設計出性能出色的新型器件。此前，他們還運用超構透鏡陣列開發(fā)了消色差超構光場相機和高度集成的超構顯微鏡。

MIWC的實驗廣角成像結果

對此，研究人員稱，“超構透鏡陣列可以充分展現(xiàn)超表面器件高集成、高靈活設計的優(yōu)勢，在成像探測、通信定位等領域具有廣闊的應用前景。”

另外，他們談到，此次研發(fā)的新型平面廣角相機是一個新原理的驗證，其中使用的單個超構透鏡直徑為0.3毫米，屬于微透鏡范疇，因此透鏡的采光量和成像質(zhì)量還不夠高。下一步，他們打算將這些超構透鏡的直徑再增大1毫米～5毫米。這樣一來，優(yōu)化后的大尺寸超構透鏡陣列能夠?qū)崿F(xiàn)較低成本的量產(chǎn)，成像質(zhì)量也將更高。

李濤表示，“我們做的超構透鏡成像技術并非完全瞄準取代性的應用，而是有望發(fā)展出全新的應用領域，讓之前的不可能變?yōu)榭赡?，讓想象變?yōu)楝F(xiàn)實?！?/p>