南大研发0.3厘米厚广角相机，实现120°视角且无畸变的广角成像
人们有时会发现，拍合影时人像越往边缘变形越严重，这是因为相机镜头存在畸变现象。为减轻这一不利结果，在人数众多的合照拍摄中发挥出色的效果，可采用能帮助捕获大量信息的广角成像。
此外，广角成像还能够对典型机器视觉应用的综合表现进行优化，如在自动驾驶中显示车辆倒车时无法看到的障碍物等。
据了解，传统广角成像中使用的体块折射型透镜重量和体积过大，在应用方面多有限制。近年来，研究人员尝试用具有极薄尺寸的超构透镜来取代体块折射型透镜，并通过“双层超表面结构、二次相位型超表面结构”等方案来进一步增大超构透镜的视角范围。
然而，目前这些方案的综合性能还不够理想，尚未实现高度紧凑的实用化广角成像系统。
近期，南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授团队基于超构透镜阵列研发出一种新型平面广角相机——单层超构透镜阵列广角相机（metalens array integrated wide-angle camera，简称 MIWC），该相机仅 0.3cm 厚，却拥有超过 120° 的视角，可以更好地实现广角成像，且不会发生畸变，可应用在车载/机载监控、遥感及检测等便携式成像设备中。
图 | MIWC 的广角成像原理及器件架构示意图（来源：Optica）
李涛告诉媒体，“由于超表面（metasurface）的灵活设计，这款相机中每个超构透镜的聚焦和成像性能都可以独立优化，从而在拼接处理后实现高质量的最终广角图像。此外，其超构透镜阵列都是单层结构完成，方便制造并有助于降低成本。”
图 | 李涛（来源：李涛）
2022 年 4 月 14 日，相关论文以《超构透镜阵列支持的平面广角成像相机》（Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array）为题发表在 Optica 上，李涛为论文的通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Optica）
据了解，超构透镜是在 2016 年被提出，相较传统透镜，其更小、更薄，相位设计灵活等优势，并且可以根据具体的应用场景进行优化设计。除广角成像外，这种透镜还能应用于显微镜等微观场景中，兼顾成像细节和视野全貌。
在这项研究中，该团队打造了一款不牺牲成像性能的单层超构透镜阵列集成广角相机，其首先使用多个精心设计的超构透镜，来清晰捕捉广角画面的不同角度的部分，再通过算法将每个子透镜获得的高清图像部分的拼接起来，从而得到整个场景的高质量广角图像。
李涛表示，“考虑到单个透镜无法获得比较大的视角，我们选择了另辟蹊径。不再纵向叠加，而是将一系列超构透镜横向平铺展开，形成单层超构透镜阵列，充分发挥了透镜超轻薄的优势。”
图 | 超构透镜的相分布和纳米结构（来源：Optica）
研究中，该团队还对其开发集成广角相机和单个超构透镜的成像性能作了各方面的综合分析，并计算了不同光照角度下它们对光的聚焦效率及其调制传递函数等，以验证集成广角相机在大角度光成像性能上的优势。结果表明，“阵列中的每个超构透镜都可以聚焦不同角度范围的光照角度，并覆盖 120° 的视角范围。”
接着，研究人员基于纳米制造技术设计了超构透镜阵列，并将其直接集成到 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器上，最终开发出一个大小为 1cm × 1cm × 0.3cm 的小型化平面广角相机。
最后，该团队同时运用基于单一传统超构透镜和阵列式超构透镜的广角相机，对已投影在屏幕上的“NANJING UNIVERSITY”字样进行成像对比。研究发现，阵列式超构透镜构成的平面相机不仅能够把所有字母高清地显示出来，而且能在不降低分辨率的情况下大幅扩展视角范围，具体已达到了 120° 以上，超出单一超构透镜的 3 倍以上。
图 | MIWC 的聚焦性能（来源：Optica）
事实上，这并不是该团队第一次通过超构透镜阵列设计出性能出色的新型器件。此前，他们还运用超构透镜阵列开发了消色差超构光场相机和高度集成的超构显微镜。
对此，研究人员称，“超构透镜阵列可以充分展现超表面器件高集成、高灵活设计的优势，在成像探测、通信定位等领域具有广阔的应用前景。”
图 | MIWC 的实验广角成像结果（来源：Optica）
另外，他们谈到，此次研发的新型平面广角相机是一个新原理的验证，其中使用的单个超构透镜直径为 0.3mm，属于微透镜范畴，因此透镜的采光量和成像质量还不够高。下一步，他们打算将这些超构透镜的直径再增大 1 ~5mm。这样一来，优化后的大尺寸超构透镜阵列能够实现较低成本的量产，成像质量也将更高。
李涛表示，“我们做的超构透镜成像技术并非完全瞄准取代性的应用，而是有望发展出全新的应用领域，让之前的不可能变为可能，让想象变为现实。”
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参考：
1.J. Chen, X. Ye, S. Gao, Y. Chen, Y. Zhao, C. Huang, K. Qiu, S. Zhu, T. Li, Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array. Optica 9, 431-437 (2022)