微小超材料鏡頭捕捉高級照片替代笨重的傳統光學

SAMUEL PINILLA AND IGOR SHEVKUNOV

一項新的研究發現，利用使“隱形斗篷”成為可能的光扭曲物理現象，科學家們開發了一種小型、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鏡頭，這有助于它們捕捉高質量的圖像，但也使相機變得又大又重。這種體積使得高端相機無法輕易集成到智能手機、無人機和視頻設備等移動設備中。

為了使相機小型化，科學家們越來越多地探索由超結構材料制成的平面光學器件，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。光學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，從而產生納米級的隱形斗篷和其他設備。

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

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

在這項新的研究中，研究人員探索了一種“硬件在環”策略，在該策略中，他們使用實際的透鏡和傳感器進行實驗，而不是對這些組件的行為進行計算建模。研究人員指出，這有助于將開發元光學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。

由此產生的混合超光學器件由4.5毫米厚的標準折射透鏡組成，該透鏡覆蓋有500μm厚的石英超光學薄膜，該薄膜覆蓋在700納米高的方形氮化硅柱中。在實驗中，科學家們使用混合元光學和計算成像技術拍攝了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。

“與最先進的方法相比，這種硬件在環方法能夠產生更好的光學效果，”該研究的合著者、坦佩雷大學的Vladimir Katkovnik說。

與此同時，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表示。“我們也對生物醫學應用感興趣。”Egiazarian說，未來的研究還可以探索超光譜成像和圖像分類等元光學應用。

新裝置的混合元光學器件只有5毫米寬。研究人員建議，未來他們可以開發更廣泛的元光學系統，收集更多的光以獲得更高的圖像質量。然而，坦佩雷的研究合著者Igor Shevkunov表示，制造這種光學器件“仍然是一個發展中的領域，需要在這里取得更多突破才能成功實現給定的設計”。

科學家們在5月26日的《科學進展》雜志（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7297）上詳細介紹了他們的發現。