Для захвата видов в одном кадре фотографы обычно используют линзы, рыбий глаз — сверхширокоугольные, изготовленные из нескольких кусочков гнутого стекла, которые искажают входящий свет, создавая пузырчатые изображения. Их сферическая, многосоставная конструкция делает линзы рыбий глаз по своей сути громоздкими и часто дорогостоящими в производстве.
Это первый плоский объектив рыбий глаз, создающий четкие панорамные изображения на 180 градусов. Конструкция представляет собой разновидность металлического материала, тонкого, как пластина, материала с узором из микроскопических элементов, которые работают вместе, чтобы определенным образом манипулировать светом.
В этом случае новая линза рыбий глаз состоит из одного плоского миллиметрового куска стекла, покрытого с одной стороны крошечными структурами, которые точно рассеивают входящий свет для получения панорамных изображений, как и обычная изогнутая многоэлементная линза рыбий глаз. Линза работает в инфракрасной части спектра, но исследователи говорят, что она может быть модифицирована для захвата изображений с использованием видимого света.Новый дизайн потенциально может быть адаптирован для широкого спектра применений, с тонкими, сверхширокоугольными объективами, встроенными непосредственно в смартфоны и ноутбуки, а не физически прикрепленными как громоздкие дополнения. Низкопрофильные линзы также могут быть интегрированы в медицинские устройства визуализации, такие как эндоскопы, а также в очки виртуальной реальности, носимую электронику и другие устройства компьютерного зрения.
Эта конструкция вызывает некоторое удивление, потому что некоторые думали, что невозможно сделать металлическую пластину со сверхширокополосным обзором. Тот факт, что это действительно может реализовать изображения рыбьего глаза, полностью выходит за рамки ожиданий.
Это не просто изгиб света-это изгиб ума.
Металлообработка, хотя еще в значительной степени находится на экспериментальной стадии, способна существенно изменить поле зрения оптики. Ранее ученые разработали металлические линзы, которые дают изображения с высоким разрешением и относительно широким углом обзора до 60 градусов. Для дальнейшего расширения поля зрения традиционно требуются дополнительные оптические компоненты для коррекции аберраций или размытости — обходной путь, который добавит объесть конструкции metalens.
Ху и его коллеги вместо этого придумали простую конструкцию, которая не требует дополнительных компонентов и сохраняет минимальное количество элементов. Их новый металл представляет собой единый прозрачный кусок, изготовленный из фторида кальция с тонкой пленкой теллурида свинца, нанесенной на одну сторону. Затем команда использовала литографические методы для вырезания рисунка оптических структур на пленке.
Каждая структура, или мета-атом, как их называет команда, формируется в одну из нескольких наноразмерных геометрий, таких как прямоугольная или костяная конфигурация, которая преломляет свет определенным образом. Например, свету может потребоваться больше времени, чтобы рассеяться или распространиться от одной формы к другой — явление, известное как фазовая задержка.
В обычных линзах рыбий глаз кривизна стекла естественным образом создает распределение фазовых задержек, что в конечном итоге создает панорамное изображение. Команда определила соответствующий узор мета-атомов и вырезала этот узор на обратной стороне плоского стекла.
Мы спроектировали задние боковые структуры таким образом, чтобы каждая часть могла производить идеальный фокус.
На лицевой стороне команда поместила оптическую апертуру, или отверстие для света.
Когда свет проходит через это отверстие, он преломляется на первой поверхности стекла, а затем рассеивается под углом, объясняет Коллагенов. Тогда свет будет попадать в разные части спины, под разными, но непрерывными углами. Пока вы правильно проектируете заднюю сторону, вы можете быть уверены, что получите высококачественное изображение по всему панорамному виду.
По ту сторону панорамы.
В одной из демонстраций новая линза настроена на работу в средней инфракрасной области спектра. Команда использовала систему визуализации, оснащенную металлическими линзами, чтобы сделать снимки полосатой цели. Затем они сравнили качество снимков, сделанных под разными углами по всей сцене, и обнаружили, что новый объектив производит изображения полос, которые были четкими и четкими, даже по краям обзора камеры, охватывая почти 180 градусов.
Это показывает, что мы можем достичь идеальной производительности изображения почти на всем 180-градусном экране, используя наши методы.
В другом исследовании команда разработала Металины для работы на длине волны ближнего инфракрасного диапазона, используя аморфные кремниевые Нан посты в качестве мета-атомов. Они подключили Металины к симулятору, используемому для проверки приборов визуализации. Затем они скормили симулятору сцену Парижа, составленную из черно-белых изображений, сшитых вместе, чтобы создать панорамный вид. Затем они запустили симуляцию, чтобы увидеть, какое изображение даст новый объектив.
Ключевой вопрос был в том, покрывает ли линза все поле зрения? И мы видим, что он захватывает все через панораму. Вы можете видеть здания и людей, и разрешение очень хорошее, независимо от того, смотрите ли вы на центр или на края.
Команда говорит, что новая линза может быть адаптирована к другим длинам волн света. Например, чтобы сделать подобную плоскую линзу рыбий глаз для видимого света, Ху говорит, что оптические характеристики, возможно, придется сделать меньше, чем они есть сейчас, чтобы лучше преломлять этот конкретный диапазон длин волн. Материал линз также должен был измениться. Но общая архитектура, которую разработала команда, останется прежней.
Исследователи изучают возможности применения своих новых объективов не только в качестве компактных камер рыбий глаз, но и в качестве панорамных проекторов, а также датчиков глубины, встроенных непосредственно в смартфоны, ноутбуки и носимые устройства.
В настоящее время все 3D-сенсоры имеют ограниченное поле зрения поэтому когда вы убираете лицо от смартфона, он вас не узнает. То, что мы имеем здесь, это новый 3D-датчик, который позволяет панорамное профилирование глубины, что может быть полезно для потребительских электронных устройств.
