研發(fā)零點(diǎn)三厘米厚新型平面廣角相機(jī) 可實(shí)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，拍合影時(shí)人像越往邊緣變形越嚴(yán)重，這是因?yàn)橄鄼C(jī)鏡頭存在畸變現(xiàn)象。為減輕這一不利結(jié)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(jī)器視覺應(yīng)用的綜合表現(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，如在自動(dòng)駕駛中顯示車輛倒車時(shí)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(yīng)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(gòu)透鏡來取代體塊折射型透鏡，并通過“雙層超表面結(jié)構(gòu)、二次相位型超表面結(jié)構(gòu)”等方案來進(jìn)一步增大超構(gòu)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(shí)現(xiàn)高度緊湊的實(shí)用化廣角成像系統(tǒng)。

MIWC的廣角成像原理及器件架構(gòu)示意圖

近期，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院李濤教授團(tuán)隊(duì)基于超構(gòu)透鏡陣列研發(fā)出一種新型平面廣角相機(jī)——單層超構(gòu)透鏡陣列廣角相機(jī)，該相機(jī)僅0.3厘米厚，卻擁有超過120度的視角，可以更好地實(shí)現(xiàn)廣角成像，且不會(huì)發(fā)生畸變，可應(yīng)用在車載/機(jī)載監(jiān)控、遙感及檢測(cè)等便攜式成像設(shè)備中。

李濤告訴媒體，“由于超表面的靈活設(shè)計(jì)，這款相機(jī)中每個(gè)超構(gòu)透鏡的聚焦和成像性能都可以獨(dú)立優(yōu)化，從而在拼接處理后實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的最終廣角圖像。此外，其超構(gòu)透鏡陣列都是單層結(jié)構(gòu)完成，方便制造并有助于降低成本。”

李濤

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

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超構(gòu)透鏡的相分布和納米結(jié)構(gòu)

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

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)打造了一款不犧牲成像性能的單層超構(gòu)透鏡陣列集成廣角相機(jī)，其首先使用多個(gè)精心設(shè)計(jì)的超構(gòu)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(gè)子透鏡獲得的高清圖像部分的拼接起來，從而得到整個(gè)場(chǎng)景的高質(zhì)量廣角圖像。

李濤表示，“考慮到單個(gè)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(gòu)透鏡橫向平鋪展開，形成單層超構(gòu)透鏡陣列，充分發(fā)揮了透鏡超輕薄的優(yōu)勢(shì)。”

研究中，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)其開發(fā)集成廣角相機(jī)和單個(gè)超構(gòu)透鏡的成像性能作了各方面的綜合分析，并計(jì)算了不同光照角度下它們對(duì)光的聚焦效率及其調(diào)制傳遞函數(shù)等，以驗(yàn)證集成廣角相機(jī)在大角度光成像性能上的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，“陣列中的每個(gè)超構(gòu)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。”

接著，研究人員基于納米制造技術(shù)設(shè)計(jì)了超構(gòu)透鏡陣列，并將其直接集成到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器上，最終開發(fā)出一個(gè)大小為1厘米×1厘米×0.3厘米的小型化平面廣角相機(jī)。

MIWC的聚焦性能

最后，該團(tuán)隊(duì)同時(shí)運(yùn)用基于單一傳統(tǒng)超構(gòu)透鏡和陣列式超構(gòu)透鏡的廣角相機(jī)，對(duì)已投影在屏幕上的“NANJING UNIVERSITY”字樣進(jìn)行成像對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，陣列式超構(gòu)透鏡構(gòu)成的平面相機(jī)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(kuò)展視角范圍，具體已達(dá)到了120度以上，超出單一超構(gòu)透鏡的3倍以上。

事實(shí)上，這并不是該團(tuán)隊(duì)第一次通過超構(gòu)透鏡陣列設(shè)計(jì)出性能出色的新型器件。此前，他們還運(yùn)用超構(gòu)透鏡陣列開發(fā)了消色差超構(gòu)光場(chǎng)相機(jī)和高度集成的超構(gòu)顯微鏡。

MIWC的實(shí)驗(yàn)廣角成像結(jié)果

對(duì)此，研究人員稱，“超構(gòu)透鏡陣列可以充分展現(xiàn)超表面器件高集成、高靈活設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，在成像探測(cè)、通信定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”

另外，他們談到，此次研發(fā)的新型平面廣角相機(jī)是一個(gè)新原理的驗(yàn)證，其中使用的單個(gè)超構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)透鏡成像技術(shù)并非完全瞄準(zhǔn)取代性的應(yīng)用，而是有望發(fā)展出全新的應(yīng)用領(lǐng)域，讓之前的不可能變?yōu)榭赡埽屜胂笞優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”