近日，南京大學(xué)李濤教授、祝世寧院士的研究團隊研發(fā)出一種基于超構(gòu)透鏡陣列的平面廣角相機。該工作充分發(fā)揮了超構(gòu)透鏡超輕、超薄的優(yōu)勢，僅用亞微米厚的單層超構(gòu)透鏡陣列就實現(xiàn)了超過120°視角高質(zhì)量的廣角成像功能。結(jié)合團隊之前開發(fā)的超構(gòu)透鏡與CMOS成像芯片，整個平面廣角相機相較商用魚眼鏡頭在體積和重量上具有巨大優(yōu)勢（對比見圖一，右側(cè)平面廣角相機的尺寸約1cm×1cm×0.3cm），有望用于智能手機，或汽車、無人機等載具，的便攜式成像設(shè)備上。 cO-^#di  
^a#W|-:  
4*UKR!sr  
廣角成像對于捕獲大量信息具有重要作用。對于自動駕駛和基于無人機的監(jiān)控等機器視覺的應(yīng)用場景，廣角成像可以提高性能和安全性，例如顯示在車輛倒車時無法看到的障礙物等。此外，廣角成像在日常生活中也具有寬闊風景、人數(shù)眾多的合照拍攝等常用功能。 ;3Q3!+%j  
*4l6+#W  
傳統(tǒng)的廣角成像通常使用魚眼復(fù)合鏡頭或其它類型的多層鏡頭來完成，但較大的體積限制了其應(yīng)用場景。超構(gòu)透鏡是一種基于超構(gòu)表面的衍射型透鏡。得益于超構(gòu)表面靈活高效的光場調(diào)控能力和極薄的尺寸，超構(gòu)透鏡自2016年被提出以來，被人們認為有望取代傳統(tǒng)的體塊折射型透鏡。近十年來研究人員付出大量的探索研究，極大地推進了超構(gòu)透鏡的性能表現(xiàn)。其中，人們就嘗試各種設(shè)計方案來擴大超構(gòu)透鏡的視場，希望應(yīng)用于廣角成像功能，提出了如雙層超表面結(jié)構(gòu)、二次相位型超表面結(jié)構(gòu)等方案。然而，到目前為止這些方案需要成像效率、成像分辨率等方面做出犧牲，整體來說其綜合性能還不夠理想。 =C
aSd|   
SWNT}{x]  
李濤教授團隊提出了一種基于超構(gòu)透鏡陣列的廣角成像方案。其實現(xiàn)原理是對陣列中的每個透鏡相位進行精心設(shè)計，在雙曲聚焦相位的基礎(chǔ)上附加一定的角度修正項，使得每個透鏡可以對一定角度范圍內(nèi)的入射光高質(zhì)量聚焦。陣列中所有透鏡負責的角度范圍可以覆蓋120°的視角范圍，然后通過將每個透鏡的子圖像拼接可以得到完整的廣角成像（見圖二示意圖）。 ^n\g,  
msw=x
0{n5  
"b`3
 
研究人員首先對集成廣角相機和單個透鏡的成像性能進行了全面的表征，探測了不同角度入射光的聚焦光斑、聚焦效率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）等。驗證了集成廣角相機在大角度光成像性能上的優(yōu)勢（見圖三）。隨后研究人員將超構(gòu)透鏡陣列集成到CMOS圖像傳感器上構(gòu)建了超緊湊的平面廣角相機（見圖四），然后對弧形幕布上廣角投影物體進行成像。對比單個透鏡的成像結(jié)果（見圖五），可以發(fā)現(xiàn)成像的視角得到了明顯的擴展，實現(xiàn)了120°角度范圍的高質(zhì)量廣角成像功能。研究人員指出，這項研究中展示的平面相機使用了直徑僅為 0.3 毫米的單個超構(gòu)透鏡。他們計劃將這些透鏡尺寸放大到大約1 到5毫米，以提高相機的成像質(zhì)量。優(yōu)化后，大尺寸的超構(gòu)透鏡陣列可以量產(chǎn)，降低每個器件的成本。 }IKU^0M9<T  
BIT<J5>  
jW}hLjlN  
[Fr <tKtB  
~sCdvBA  
6h\; U5  
Gk|T1%  
該方案巧妙地利用了透鏡陣列的優(yōu)勢，將縱向多層透鏡才能完成的功能轉(zhuǎn)化到了平面透鏡陣列上，保證了超表面光學(xué)器件超輕超薄的優(yōu)勢。值得一提的是，這是研究團隊基于超構(gòu)透鏡陣列實現(xiàn)的又一重要突破。在此之前，他們已成功利用超構(gòu)透鏡陣列實現(xiàn)了消色差超構(gòu)光場相機(Nature Nanotechnology 14, 227-231 (2019))，和高集成的大視場顯微鏡(Advanced Photonics 2, 066004 (2020))。研究團隊認為，超構(gòu)透鏡陣列可以充分展現(xiàn)超表面材料高集成、高靈活設(shè)計的優(yōu)勢，在成像探測、通信定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 m\K1Ex  
rwAycW7  
該成果近日以 “Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array” 為題發(fā)表在了國際光學(xué)頂級期刊Optica上（Optica, 9, 431-437 (2022)）。南京大學(xué)副研究員陳績博士為論文的第一作者，李濤教授為論文的通訊作者。工作得到了祝世寧院士的悉心指導(dǎo)，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室微加工中心為樣品加工提供了重要技術(shù)支持。該研究得到國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0202103），國家自然科學(xué)基金（91850204, 12104223），以及南京大學(xué)登峰B計劃支持。 ?nf4K/IjZ!  
`QT9W-0e^  
論文鏈接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-4-431&id=471407