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项目介绍:

 

CINNO Research产业资讯,为了单次拍摄全景图像,摄影师通常需要使用鱼眼镜头——由多块曲面玻璃制成的超广角镜头,它通过对入射光的折射实现宽视野气泡状图像的拍摄。为了达成这样的效果,这些鱼眼镜头的球面和多件式设计让整个镜头的体积非常大,另外生产成本也伴随着大幅提高。



现在,麻省理工学院和马萨诸塞州大学的工程师完成了一种平面广角镜头的设计开发。这是第一款可在180度全景视野内拍摄清晰图像的平面鱼眼镜头。具体来说,它是一种“超级透镜(Meta-lenses)”,一种非常薄的晶圆材料,具有微观特征,它的不同特征结构可以协同工作并以特定方式控制光的传播。

 

实际上,新的鱼眼镜头由一块几个毫米厚的扁平玻璃片组成,该玻璃的一侧设计有许多微小的结构。这些结构可以像传统球面鱼眼镜头一样精确地调控入射光线进而产生全景图像。这种镜头目前工作在光谱的红外波段,不过研究人员表示,他们可以对其进行修改进而让它在可见光范围内拍摄图像。

 

这种新的设计有很多潜在应用,比如将它直接内置于智能手机和笔记本电脑中,这比现在通过物理连接方式使用方便得多。另外,这种超紧凑的镜头也可以集成到诸如内窥镜之类的医学成像设备,虚拟现实眼镜,可穿戴电子设备和其他计算机视觉设备中。

 

“这种设计获得的效果的确让人惊讶,毕竟在这之前,很多人都认为不可能制造出这种具有超宽视野的超级透镜,”麻省理工学院材料科学与工程系副教授Juejun Hu说,“实际上,可以实现鱼眼透镜式全景图像的拍摄也完全超出了我们的预期。它不仅让光线弯曲(Light-bending),而且也让我们为之着迷(Mind-bending)。”

 

Hu教授和他的同事们在《纳米快报》上发表了他们的研究结果。这篇论文的合作者还有他的其他同事——Mikhail Shalaginov,Fan Yang,Peter Su,Dominika Lyzwa,Anuradha Agarwal和Tian Gu,以及UMass Lowell的Sensong An和Huahua Zhang。

 

超级透镜的背面设计

 

虽然超级透镜的研究还处于实验阶段,但大家知道,它在光学领域有着极大的应用潜力。在这之前,科学家设计过的超级透镜,最大可以实现60度的高分辨率图像拍摄。为了进一步扩大视野,传统方法则需要用额外的光学组件来校正像差,不过这种解决方法一般都会极大增加设计复杂度和器件体积。

 

Hu教授和他的同事提出了一种简单的设计,不需要额外的组件,而且还可以大幅度减少部件数量。他们用到的这种简单的超级透镜由氟化钙制成,需要特别注意的是他们在该材料的背侧还沉积了一层碲化铅薄膜。以此为基础,研究小组接着使用光刻技术将光学结构的图案转移到上述薄膜上。

 

这个团队所称的单个结构或“元结构(Meta-atom)”都是一些纳米级几何形状的结构,例如矩形或骨头形,不同形状的“元结构”会以特定方式折射光。举个例子,某一种形状相对于另一种形状,光可能需要更长的时间折射或传播出去,这种现象称为相位延迟。

 

在传统的鱼眼镜头中,玻璃的曲率本身就可以让不同方向的光以不同的相位延迟传播,最终生成一幅全景图像。该研究小组以此为理论指导进而确定相应的“元结构”图案,并将该图案转移到平面玻璃的背面。

 

Hu教授说:“我们在设计这种超级透镜的背面结构时,要考虑让每个部分都可以产生完美的聚焦效果。”

 

相反,在超级透镜的正面,该研究团队设计了一个光学孔。

 

“当光线从超级透镜的正面通过该孔进入时,它会在玻璃的第一表面折射,然后成角度地分散开,”Shalaginov解释说,“然后,这些光线将以不同但连续的角度射向背面的不同位置。只要能够正确地设计背面的“元结构”,我们就可以确保在整个全景图中实现高质量的成像。”

 

“跨越”传统全景图像

 

在一个演示中,该团队研究人员将这种新的平面鱼眼镜头调整为在光谱的中红外区域工作。他们用这种设计有超级透镜的成像装置拍摄了一些条纹目标的照片。然后,他们比较了在整个场景中以不同角度拍摄的照片质量。结果发现,这种新镜头拍摄到的条纹图像更加清晰,甚至在相机视野的边缘位置效果也非常好,这意味着这种平面鱼眼镜头拍摄的全景图像似乎比传统设备更好。

 

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

 

在另一项研究中,该团队还以非晶硅纳米柱为“元结构”设计了一种超级透镜,这种超级透镜可在近红外波长下工作。他们在一项模拟中将这种超级平面透镜用于成像仪测试。接下来,他们将模拟场景设定为巴黎,该全景场景由许多黑白图像拼接组成。再接着,他们就基于上述超级透镜进行了仿真,进而模拟出新镜头下会拍摄到什么样的图像。

 

“我们关心的是,这种超级镜头的拍摄是否能覆盖整个视野?答案是它的确能够拍摄整个全景图,”Gu说,“无论我们看视野的中心还是边缘,都可以看到清晰的建筑和人物,且分辨率非常好。”

 

该研究小组说,这种新的超级镜头还可以通过调整设计以应对其他波长的光。例如,为了制造类似的可见光平面鱼眼镜头,据Hu教授说,使用到的光学特征结构可能比现在更小,这样才能更好地折射可见光范围内的波长。当然,镜片材料也必须更换,不过团队设计的总体架构保持不变。

 

这些研究人员正在探索新镜头的应用,它不仅可以用作紧凑型鱼眼镜头,还可以用于全景投影仪,以及作为深度传感器直接内置于智能手机,笔记本电脑和可穿戴设备中。

 

“目前,所有3D传感器的视野都有限,这是用户脸部远离智能手机时,智能手机就无法识别用户的原因,”Gu说,“我们这种新型3D传感器能够实现全景深度拍摄,它对消费电子设备很有用。”

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MIT工程师使用一种非常薄的晶圆材料研发出可拍摄180度全景图像的超级透镜

 MIT工程师使用一种非常薄的晶圆材料研发出可拍摄180度全景图像的超级透镜

CINNO Research产业资讯,为了单次拍摄全景图像,摄影师通常需要使用鱼眼镜头——由多块曲面玻璃制成的超广角镜头,它通过对入射光的折射实现宽视野气泡状图像的拍摄。为了达成这样的效果,这些鱼眼镜头的球面和多件式设计让整个镜头的体积非常大,另外生产成本也伴随着大幅提高。


MIT工程师使用一种非常薄的晶圆材料研发出可拍摄180度全景图像的超级透镜


现在,麻省理工学院和马萨诸塞州大学的工程师完成了一种平面广角镜头的设计开发。这是第一款可在180度全景视野内拍摄清晰图像的平面鱼眼镜头。具体来说,它是一种“超级透镜(Meta-lenses)”,一种非常薄的晶圆材料,具有微观特征,它的不同特征结构可以协同工作并以特定方式控制光的传播。

 

实际上,新的鱼眼镜头由一块几个毫米厚的扁平玻璃片组成,该玻璃的一侧设计有许多微小的结构。这些结构可以像传统球面鱼眼镜头一样精确地调控入射光线进而产生全景图像。这种镜头目前工作在光谱的红外波段,不过研究人员表示,他们可以对其进行修改进而让它在可见光范围内拍摄图像。

 

这种新的设计有很多潜在应用,比如将它直接内置于智能手机和笔记本电脑中,这比现在通过物理连接方式使用方便得多。另外,这种超紧凑的镜头也可以集成到诸如内窥镜之类的医学成像设备,虚拟现实眼镜,可穿戴电子设备和其他计算机视觉设备中。

 

“这种设计获得的效果的确让人惊讶,毕竟在这之前,很多人都认为不可能制造出这种具有超宽视野的超级透镜,”麻省理工学院材料科学与工程系副教授Juejun Hu说,“实际上,可以实现鱼眼透镜式全景图像的拍摄也完全超出了我们的预期。它不仅让光线弯曲(Light-bending),而且也让我们为之着迷(Mind-bending)。”

 

Hu教授和他的同事们在《纳米快报》上发表了他们的研究结果。这篇论文的合作者还有他的其他同事——Mikhail Shalaginov,Fan Yang,Peter Su,Dominika Lyzwa,Anuradha Agarwal和Tian Gu,以及UMass Lowell的Sensong An和Huahua Zhang。

 

超级透镜的背面设计

 

虽然超级透镜的研究还处于实验阶段,但大家知道,它在光学领域有着极大的应用潜力。在这之前,科学家设计过的超级透镜,最大可以实现60度的高分辨率图像拍摄。为了进一步扩大视野,传统方法则需要用额外的光学组件来校正像差,不过这种解决方法一般都会极大增加设计复杂度和器件体积。

 

Hu教授和他的同事提出了一种简单的设计,不需要额外的组件,而且还可以大幅度减少部件数量。他们用到的这种简单的超级透镜由氟化钙制成,需要特别注意的是他们在该材料的背侧还沉积了一层碲化铅薄膜。以此为基础,研究小组接着使用光刻技术将光学结构的图案转移到上述薄膜上。

 

这个团队所称的单个结构或“元结构(Meta-atom)”都是一些纳米级几何形状的结构,例如矩形或骨头形,不同形状的“元结构”会以特定方式折射光。举个例子,某一种形状相对于另一种形状,光可能需要更长的时间折射或传播出去,这种现象称为相位延迟。

 

在传统的鱼眼镜头中,玻璃的曲率本身就可以让不同方向的光以不同的相位延迟传播,最终生成一幅全景图像。该研究小组以此为理论指导进而确定相应的“元结构”图案,并将该图案转移到平面玻璃的背面。

 

Hu教授说:“我们在设计这种超级透镜的背面结构时,要考虑让每个部分都可以产生完美的聚焦效果。”

 

相反,在超级透镜的正面,该研究团队设计了一个光学孔。

 

“当光线从超级透镜的正面通过该孔进入时,它会在玻璃的第一表面折射,然后成角度地分散开,”Shalaginov解释说,“然后,这些光线将以不同但连续的角度射向背面的不同位置。只要能够正确地设计背面的“元结构”,我们就可以确保在整个全景图中实现高质量的成像。”

 

“跨越”传统全景图像

 

在一个演示中,该团队研究人员将这种新的平面鱼眼镜头调整为在光谱的中红外区域工作。他们用这种设计有超级透镜的成像装置拍摄了一些条纹目标的照片。然后,他们比较了在整个场景中以不同角度拍摄的照片质量。结果发现,这种新镜头拍摄到的条纹图像更加清晰,甚至在相机视野的边缘位置效果也非常好,这意味着这种平面鱼眼镜头拍摄的全景图像似乎比传统设备更好。

 

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

 

在另一项研究中,该团队还以非晶硅纳米柱为“元结构”设计了一种超级透镜,这种超级透镜可在近红外波长下工作。他们在一项模拟中将这种超级平面透镜用于成像仪测试。接下来,他们将模拟场景设定为巴黎,该全景场景由许多黑白图像拼接组成。再接着,他们就基于上述超级透镜进行了仿真,进而模拟出新镜头下会拍摄到什么样的图像。

 

“我们关心的是,这种超级镜头的拍摄是否能覆盖整个视野?答案是它的确能够拍摄整个全景图,”Gu说,“无论我们看视野的中心还是边缘,都可以看到清晰的建筑和人物,且分辨率非常好。”

 

该研究小组说,这种新的超级镜头还可以通过调整设计以应对其他波长的光。例如,为了制造类似的可见光平面鱼眼镜头,据Hu教授说,使用到的光学特征结构可能比现在更小,这样才能更好地折射可见光范围内的波长。当然,镜片材料也必须更换,不过团队设计的总体架构保持不变。

 

这些研究人员正在探索新镜头的应用,它不仅可以用作紧凑型鱼眼镜头,还可以用于全景投影仪,以及作为深度传感器直接内置于智能手机,笔记本电脑和可穿戴设备中。

 

“目前,所有3D传感器的视野都有限,这是用户脸部远离智能手机时,智能手机就无法识别用户的原因,”Gu说,“我们这种新型3D传感器能够实现全景深度拍摄,它对消费电子设备很有用。”

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