微小超材料鏡頭捕捉高級照片 替代笨重的傳統光學(xué)

SAMUEL PINILLA AND IGOR SHEVKUNOV

一項新的研究發(fā)現，利用使“****斗篷”成為可能的光扭曲物理現象，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種小型、輕便的相機，可以拍攝體積是其100多倍的商用數碼相機一樣好或更好的照片，有可能用于智能手機和其他便攜式設備。

現代相機通常有多個(gè)鏡頭，這有助于它們捕捉高質(zhì)量的圖像，但也使相機變得又大又重。這種體積使得高端相機無(wú)法輕易集成到智能手機、無(wú)人機和視頻設備等移動(dòng)設備中。

為了使相機小型化，科學(xué)家們越來(lái)越多地探索由超結構材料制成的平面光學(xué)器件，其結構包含的重復圖案的尺度小于設計用于操縱的結構的特征波長(cháng)。光學(xué)超結構是為了操縱電磁輻射而制造的，它可以以意想不到的方式彎曲光線(xiàn)，從而產(chǎn)生納米級的****斗篷和其他設備。

另一種幫助相機小型化的策略是計算成像，它使用軟件來(lái)糾正光學(xué)組件的任何缺點(diǎn)。先前的研究表明，將超材料制成的光學(xué)器件（也稱(chēng)為超光學(xué)器件）與計算成像相結合，可能會(huì )使用微米厚的光學(xué)器件獲得高質(zhì)量的圖像。

在設計元光學(xué)時(shí)，一個(gè)主要問(wèn)題是研究人員在計算建模光與所有光學(xué)組件之間的復雜相互作用時(shí)面臨的非凡困難。芬蘭坦佩雷大學(xué)的研究合著(zhù)者Karen Egiazarian表示，這意味著(zhù)，盡管超光學(xué)理論上有很大的潛力，但科學(xué)家最終制造的超光學(xué)材料往往比傳統光學(xué)方法提供的圖像質(zhì)量差得多。

在這項新的研究中，研究人員探索了一種“硬件在環(huán)”策略，在該策略中，他們使用實(shí)際的透鏡和傳感器進(jìn)行實(shí)驗，而不是對這些組件的行為進(jìn)行計算建模。研究人員指出，這有助于將開(kāi)發(fā)元光學(xué)的處理需求大幅減少至少一百倍，將內存需求大幅減少了至少十倍。

由此產(chǎn)生的混合超光學(xué)器件由4.5毫米厚的標準折射透鏡組成，該透鏡覆蓋有500μm厚的石英超光學(xué)薄膜，該薄膜覆蓋在700納米高的方形氮化硅柱中。在實(shí)驗中，科學(xué)家們使用混合元光學(xué)和計算成像技術(shù)拍攝了0.5至1.8米外的圖像照片。

研究人員表示，這種新的單鏡頭設備拍攝的全彩照片的質(zhì)量與索尼SEL85F18復合鏡頭的商用索尼Alpha 1 III微單相機拍攝的照片一樣好或更好。

“與最先進(jìn)的方法相比，這種硬件在環(huán)方法能夠產(chǎn)生更好的光學(xué)效果，”該研究的合著(zhù)者、坦佩雷大學(xué)的Vladimir Katkovnik說(shuō)。

與此同時(shí)，新設備的體積還不到索尼系統體積的1%。

“我認為目前最有影響力的應用是為智能手機設計新一代定制相機，”該研究的主要作者Samuel Pinilla在英國哈韋爾科技設施委員會(huì )表示?！拔覀円矊ι镝t學(xué)應用感興趣?！盓giazarian說(shuō)，未來(lái)的研究還可以探索超光譜成像和圖像分類(lèi)等元光學(xué)應用。

新裝置的混合元光學(xué)器件只有5毫米寬。研究人員建議，未來(lái)他們可以開(kāi)發(fā)更廣泛的元光學(xué)系統，收集更多的光以獲得更高的圖像質(zhì)量。然而，坦佩雷的研究合著(zhù)者Igor Shevkunov表示，制造這種光學(xué)器件“仍然是一個(gè)發(fā)展中的領(lǐng)域，需要在這里取得更多突破才能成功實(shí)現給定的設計”。

科學(xué)家們在5月26日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7297）上詳細介紹了他們的發(fā)現。