Полностью плоские линзы типа рыбий глаз создали инженеры

Чтобы запечатлеть панорамные виды в одном кадре, фотографы обычно используют линзы типа «рыбий глаз» - сверхширокоугольные линзы, сделанные из нескольких кусков изогнутого стекла, которые искажают падающий свет, создавая широкие, похожие на пузырьки изображения. Их сферическая конструкция из нескольких частей делает линзы типа «рыбий глаз» громоздкими и зачастую дорогостоящими в производстве.

Кратко о новой разработке

Теперь инженеры Массачусетского технологического института и Массачусетского университета в Лоуэлле разработали полностью плоский широкоугольный объектив. Это первый плоский объектив типа «рыбий глаз», обеспечивающий четкое панорамное изображение на 180 градусов. Конструкция представляет собой тип «металины», тонкого, как пластина, материала с микроскопическими элементами, которые работают вместе, чтобы управлять светом определенным образом.

В этом случае новая линза типа «рыбий глаз» состоит из одного плоского, миллиметрового куска стекла, покрытого с одной стороны крошечными структурами, которые точно рассеивают падающий свет для получения панорамных изображений, как это сделал бы обычный изогнутый, многоэлементный объектив.

Объектив работает в инфракрасной части спектра, но исследователи говорят, что его можно модифицировать для захвата изображений и с использованием видимого света. Новый дизайн потенциально может быть адаптирован для целого ряда приложений, с тонкими сверхширокоугольными объективами, встроенными непосредственно в смартфоны и ноутбуки, а не физически прикрепленными в качестве громоздких надстроек. Низкопрофильные линзы могут быть интегрированы в медицинские устройства визуализации, такие как эндоскопы, а также в очки виртуальной реальности, носимую электронику и другие устройства компьютерного зрения.

«Этот дизайн стал в некоторой степени неожиданностью, потому что некоторые думали, что будет невозможно создать металинзу со сверхширокоугольным обзором», - говорит Цзюэджун Ху, доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «Тот факт, что это действительно позволяет получать изображения типа «рыбий глаз», полностью превосходит ожидания». Ху и его коллеги опубликовали свои результаты в журнале Nano Letters. Соавторами Ху в Массачусетском технологическом институте являются Михаил Шалагинов, Фан Ян, Питер Су, Доминика Лизва, Анурадха Агарвал и Тиан Гу, а также Сенсонг Ан и Хуалян Чжан из UMass Lowell.

Дизайн нового объектива

Металлы, хотя в значительной степени все еще находятся на экспериментальной стадии, могут существенно изменить область оптики. Ранее ученые разработали приложение, которое производило изображения с высоким разрешением с углом до 60 градусов. Для дальнейшего расширения поля зрения традиционно потребовались бы дополнительные оптические компоненты для коррекции аберраций или размытости - обходной путь, который добавлял бы объемности металинзовому дизайну. Вместо этого Ху и его коллеги придумали простой дизайн, не требующий дополнительных компонентов и поддерживающий минимальное количество элементов.

Их новая металинза представляет собой цельную прозрачную деталь из фторида кальция с тонкой пленкой теллурида свинца, нанесенной на одну сторону. Затем команда использовала методы литографии, чтобы вырезать узор из оптических структур на пленке. Каждая структура, или «метаатом», как их называет команда, имеет форму одной из нескольких наноразмерных геометрий, таких как прямоугольная или костяная конфигурация, которая определенным образом преломляет свет. Например, свету может потребоваться больше времени, чтобы рассеяться или распространиться от одной формы по отношению к другой - явление, известное как фазовая задержка.

В обычных линзах типа «рыбий глаз» кривизна стекла естественным образом создает распределение фазовых задержек, которое в конечном итоге дает панорамное изображение. Команда определила соответствующий узор из метаатомов и вырезала его на задней стороне плоского стекла. «Мы спроектировали структуры задней стороны таким образом, чтобы каждая часть могла обеспечить идеальный фокус», - говорит Ху. На передней стороне была размещена оптическая апертура, или отверстие для света.

«Когда свет проходит через это отверстие, он преломляется на первой поверхности стекла, а затем рассеивается под углом», - объясняет Шалагинов. «Затем свет будет попадать в разные части тыльной стороны под разными, но непрерывными углами. Если вы правильно спроектируете заднюю сторону, вы можете быть уверены, что получите высококачественное панорамное изображение».

Тестирование новых технологий

В одной из демонстраций технологии новый объектив был настроен для работы в средней инфракрасной области спектра. Команда использовала установку визуализации, оснащенную металинзой, чтобы сделать снимки цели. Затем они сравнили качество снимков, сделанных под разными углами по всей сцене, и обнаружили, что новый объектив дает четкие и качественные изображения даже по краям поля зрения камеры, охватывая почти 180 градусов. «Это доказывает, что с помощью наших методов мы можем добиться идеального качества изображения практически для всего обзора на 180 градусов», - говорит Гу.

В другом исследовании команда спроектировала металинзу для работы на длине волны в ближнем инфракрасном диапазоне, используя нанопосты из аморфного кремния в качестве метаатомов. Они подключили металинзу к устройству, используемому для тестирования инструментов визуализации. Затем они загрузили в симуляцию сцену Парижа, состоящую из черно-белых изображений, сшитых вместе, чтобы смоделировать панорамный вид. Затем они провели симуляцию, чтобы увидеть, какое изображение даст новый объектив. «Ключевой вопрос был в том, захватывает ли объектив все поле зрения?

И мы видим, что он захватывает все, что попадает в панораму», - говорит Гу. «Вы сможете видеть здания и людей, и при этом все в отличном разрешении, независимо от того, смотрите ли вы в центр или по краям». Команда говорит, что новый объектив может быть адаптирован к другим длинам волн света. Например, чтобы сделать подобную плоскую линзу типа «рыбий глаз» для видимого света, Ху говорит, что оптические элементы, возможно, придется сделать меньше, чем сейчас, чтобы лучше преломлять этот конкретный диапазон длин волн. Материал линзы также придется изменить.

Но общая архитектура, разработанная командой, останется прежней. Исследователи изучают возможности применения своего нового объектива не только для компактных камер типа «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-датчики имеют ограниченное поле зрения, поэтому, когда вы убираете лицо от смартфона, он не распознает вас», - говорит Гу. «У нас есть новый 3D-датчик, который обеспечивает панорамное профилирование глубины, что может быть полезно для бытовых электронных устройств».