微小超材料鏡頭捕捉高級(jí)照片 替代笨重的傳統(tǒng)光學(xué)

SAMUEL PINILLA AND IGOR SHEVKUNOV

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

現(xiàn)代相機(jī)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(jī)變得又大又重。這種體積使得高端相機(jī)無(wú)法輕易集成到智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)和視頻設(shè)備等移動(dòng)設(shè)備中。

為了使相機(jī)小型化，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多地探索由超結(jié)構(gòu)材料制成的平面光學(xué)器件，其結(jié)構(gòu)包含的重復(fù)圖案的尺度小于設(shè)計(jì)用于操縱的結(jié)構(gòu)的特征波長(zhǎng)。光學(xué)超結(jié)構(gòu)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，從而產(chǎn)生納米級(jí)的****斗篷和其他設(shè)備。

另一種幫助相機(jī)小型化的策略是計(jì)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（也稱為超光學(xué)器件）與計(jì)算成像相結(jié)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(shè)計(jì)元光學(xué)時(shí)，一個(gè)主要問(wèn)題是研究人員在計(jì)算建模光與所有光學(xué)組件之間的復(fù)雜相互作用時(shí)面臨的非凡困難。芬蘭坦佩雷大學(xué)的研究合著者Karen Egiazarian表示，這意味著，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(tǒng)光學(xué)方法提供的圖像質(zhì)量差得多。

在這項(xiàng)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(yàn)，而不是對(duì)這些組件的行為進(jìn)行計(jì)算建模。研究人員指出，這有助于將開發(fā)元光學(xué)的處理需求大幅減少至少一百倍，將內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)中，科學(xué)家們使用混合元光學(xué)和計(jì)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(shè)備拍攝的全彩照片的質(zhì)量與索尼SEL85F18復(fù)合鏡頭的商用索尼Alpha 1 III微單相機(jī)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，”該研究的合著者、坦佩雷大學(xué)的Vladimir Katkovnik說(shuō)。

與此同時(shí)，新設(shè)備的體積還不到索尼系統(tǒng)體積的1%。

“我認(rèn)為目前最有影響力的應(yīng)用是為智能手機(jī)設(shè)計(jì)新一代定制相機(jī)，”該研究的主要作者Samuel Pinilla在英國(guó)哈韋爾科技設(shè)施委員會(huì)表示?！拔覀円矊?duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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等元光學(xué)應(yīng)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)他們可以開發(fā)更廣泛的元光學(xué)系統(tǒng)，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(xiàn)給定的設(shè)計(jì)”。

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