完全扁平魚眼鏡頭問世

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為了拍攝一張全景照片，攝影師通常會使用魚眼鏡頭——由多個曲面玻璃製成的超廣角鏡頭，這些鏡頭會扭曲入射光線，從而產生圓氣泡般的圖像。它們的球面、多片設計使魚眼鏡頭笨重，且生產成本昂貴。通常情況下，超廣角魚眼鏡頭都是厚實的球狀裝置，不容易被整合到智慧型手機等設備中。不過，這種情況很可能被改變。

日前，美國麻省理工學院和麻薩諸塞州洛厄爾大學的工程師共同發明了一款完全扁平的廣角鏡頭。這是第一個能夠產生180度全景影像的扁平魚眼鏡頭，由一種被稱為「超透鏡」的極薄材料所組成，具有顯微特徵並以特定的方式操縱光線。

實際上，超透鏡是由超級材料組成的薄層超表面製成，是一種二維平面透鏡結構，其體積極小、重量輕，易於集成，可實現對入射光振幅、相位、偏振等參量的靈活調控，具有強大的光場操控能力。在超分辨顯微成像、全息光學、消色差透鏡等方面有重要的作用。

傳統魚眼鏡頭是一種焦距為16mm或更短的並且視角接近或等於180°的鏡頭，屬於超廣角鏡頭中的一種特殊鏡頭，它的視角力求達到或超出人眼所能看到的範圍。在這項技術中，新型魚眼鏡頭由一個單獨、扁平的毫米厚玻璃片所組成，其中一面有微小的結構，能夠準確散射入射光線，從而產生全景圖像。這也是一個傳統弧形、多元件的魚眼鏡頭所能完成的作用。這種鏡頭需要在光譜的紅外光線下使用，不過研究人員表示也可以做出修改，使用可視光捕捉圖像。

這項新設計可能適用於一系列的應用，比如這種超薄超廣角鏡頭可以直接內置在智慧型手機和平板電腦中，而不需要作為笨重的附加組件物理連接在這些設備中。研究人員表示，這些鏡頭可以組合應用到醫學影像設備中，比如內窺鏡，還可以應用到VR眼鏡、可穿戴電子設備以及其他計算機視覺設備中。

實際上，這項設計來自於一次意外的發現，因為有些人認為用超廣視角無法製造出超透鏡。麻省理工材料科學與工程學院的副教授Juejun Hu表示：「事實上，超廣角能夠實現魚眼圖像，這完全超出我們的預期。」這不僅僅是光線彎曲，而是思想上的彎曲。

Hu教授和他的同事們最近將這項研究成果發布在了最新一期的《納米通訊》中。實際上，扁平超投機的設計大部分還處於試驗階段，但很可能會重塑光學領域。此前，科學家已經設計出高解析度和60度相對廣角的影像。進一步擴大視角，傳統上需要其他額外的光學元件去校正像差和模糊強度，其中一種方法是給超透鏡添加附件。

於是，Juejun Hu教授和同事們提出了一種簡單的設計方案，不需要額外的組件，也不用保持最小元件數量。他們的新型超透鏡是一個由氟化鈣製成的單層透明鏡片，在其中一面覆蓋了一層碲化鉛。每個結構或元「原子」被科學家們塑造成為一種納米級的幾何圖形，比如矩形或骨狀構型，這些結構能夠以一種特定的方式折射光線。當光線通過光圈（如相機的虹膜）並進入鏡頭時，它穿過玻璃並進入碲化鉛薄膜，然後以不同角度通過元原子分散。其結果是單一的清晰圖像，視野為180度。

在常規的魚眼鏡頭中，玻璃的曲率自然會產生相位延遲分布並最終產生一個全景圖像。研究人員可以制定元原子的工作模式，並將這種模式應用在扁平玻璃的背面，這樣設計的背面結構，就能使每個部分都能夠產生完美聚焦。

此外，研究人員在正面裝上了一個光學孔徑或者稱為光開口。當光從開口處進入，就會在玻璃的首個表面上發生折射，之後再有角度地進行散射。接下來，光會從不同而連續的角度碰到背面的不同部分。只要恰當地設計背面結構，您就可以保證在一整個全景視角下完成一個高質量的成像。

在演示實驗中跨越整個全景，新鏡頭被調整到光譜的中紅外波段進行操作。研究人員使用了裝有超透鏡的成像裝置去抓拍帶有條紋的目標，然後他們會對比整個場景下的不同角度拍出的照片質量，結果發現新鏡頭拍出的條紋圖像非常清晰，即使是在相機視線的邊緣，橫跨將近180度，仍然保持了清晰的效果。

結果顯示使用研究人員的設計，能夠在180度的全景中完成完美的影像呈現。在其他的研究中，團隊設計將無定形矽納米柱作為元原子，將超透鏡放在近紅外波長下進行操作用。他們將超透鏡接入模擬系統中測試成像儀器。接下來，他們將模擬場景設計成巴黎的景色，畫面由黑白影像連接組成一幅全景畫面。然後，他們運行模擬系統觀察新型鏡頭能夠產生哪類影像。

其中關鍵的問題在於這個鏡頭能否覆蓋全景範圍？Hu教授表示：「我們看到它能抓住全景內的所有圖像，無論你看著畫面的中心還是邊緣，你都能夠看到建築和人，而且解析度非常高。」

研究團隊表示，新型鏡頭還能夠適應其他的光線波長。比如為可視光製造一個類似的扁平魚眼鏡頭，設置的光學特性可能要比現在的更小，便於更好地在波長的特殊範圍內折射。同時，鏡頭的材料也需要調整，但研究人員設計的總體架構需要保持一致。目前，研究人員正在探索新型魚眼鏡頭的應用範圍，不僅僅作為簡潔的魚眼相機，還可以用作全景投影儀，就像直接安裝在智慧型手機、筆記本電腦和可穿戴設備中的深度傳感器。

當前，所有3D傳感器的可視範圍都較為有限，這也是為什麼當你把臉從手機屏幕前移開時，它就無法識別你。我們所研究的新型鏡頭是一種全新的3D傳感器，它能夠完成全景深度分析，非常適用於我們的電子設備。

編譯自麻省理工學院網站

本文刊於《中國民商》雜誌2020年11期

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