Ingeniører producerer et fisheye -objektiv, der er helt fladt

For at fange panoramaudsigt i et enkelt skud, fotografer bruger typisk fisheye-objektiver-ultravidvinkelobjektiver fremstillet af flere stykker buet glas, som forvrænger indgående lys for at producere bredt, boblelignende billeder. Deres sfæriske, flerdesign gør fisheye -objektiver i sig selv omfangsrige og ofte dyre at producere.

Nu har ingeniører ved MIT og University of Massachusetts i Lowell designet et vidvinkelobjektiv, der er helt fladt. Det er det første flade fiskeøjeobjektiv, der producerer sprøde, 180-graders panoramabilleder. Designet er en type "metalens, "et skive-tyndt materiale mønstret med mikroskopiske funktioner, der arbejder sammen for at manipulere lys på en bestemt måde.

I dette tilfælde, det nye fisheye -objektiv består af en enkelt flad, millimeter tyndt stykke glas dækket på den ene side med små strukturer, der præcist spreder indgående lys for at producere panoramabilleder, ligesom en konventionel buet, multielement fisheye linse samling ville. Objektivet fungerer i den infrarøde del af spektret, men forskerne siger, at det også kan modificeres til at tage billeder ved hjælp af synligt lys.

Det nye design kan muligvis tilpasses til en række applikationer, med tynd, ultravidvinkelobjektiver indbygget direkte i smartphones og bærbare computere, snarere end fysisk knyttet som omfangsrige tilføjelser. Lavprofillinserne kan også integreres i medicinske billeddannelsesenheder såsom endoskoper, såvel som i virtual reality -briller, bærbar elektronik, og andre computer vision -enheder.

"Dette design kommer som en overraskelse, fordi nogle har troet, at det ville være umuligt at lave en metal med en ultra-wide-field view, "siger Juejun Hu, lektor i MIT's Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Det faktum, at dette faktisk kan realisere fiskeøje -billeder, er helt uden for forventning.

Dette er ikke bare lysbøjning-det er tankegående. "

Hu og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Nano bogstaver . Hu's MIT -medforfattere er Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal, og Tian Gu, sammen med Sensong An og Hualiang Zhang fra UMass Lowell.

Design på bagsiden

Metallinser, mens det stadig stort set er på et eksperimentelt stadie, har potentiale til væsentligt at omforme optikområdet. Tidligere har forskere har designet metallinser, der producerer billeder i høj opløsning og relativt vidvinkel på op til 60 grader. For at udvide synsfeltet yderligere ville traditionelt kræve yderligere optiske komponenter at korrigere for aberrationer, eller slørhed - en løsning, der ville tilføre bulk til et metalens design.

Hu og hans kolleger kom i stedet med et simpelt design, der ikke kræver yderligere komponenter og holder et minimum af elementantal. Deres nye metaller er et enkelt gennemsigtigt stykke fremstillet af calciumfluorid med en tynd film blytellurid afsat på den ene side. Holdet brugte derefter litografiske teknikker til at skære et mønster af optiske strukturer ind i filmen.

Hver struktur, eller "meta-atom, "som teamet henviser til dem, er formet til en af ​​flere nanoskala geometrier, såsom en rektangulær eller en knogleformet konfiguration, der bryder lys på en bestemt måde. For eksempel, lys kan tage længere tid at spredes, eller forplante en form mod en anden - et fænomen kendt som faseforsinkelse.

I konventionelle fiskeøjeobjektiver, glasets krumning skaber naturligvis en fordeling af faseforsinkelser, der i sidste ende giver et panoramabillede. Teamet bestemte det tilsvarende mønster af meta-atomer og huggede dette mønster ind på bagsiden af ​​det flade glas.

'Vi har designet bagsidestrukturer på en sådan måde, at hver del kan producere et perfekt fokus, "Siger Hu.

På forsiden, holdet placerede en optisk blænde, eller åbning for lys.

"Når lyset kommer ind gennem denne blænde, det vil bryde ved glassets første overflade, og derefter vil blive spredt vinklet, "Forklarer Shalaginov." Lyset vil derefter ramme forskellige dele af bagsiden, fra forskellige og alligevel kontinuerlige vinkler. Så længe du designer bagsiden ordentligt, du kan være sikker på at opnå billedbehandling i høj kvalitet på tværs af hele panoramaudsigten. "

På tværs af panoramaet

I en demonstration, det nye objektiv er indstillet til at fungere i det mellem-infrarøde område af spektret. Teamet brugte billeddannelsesopsætningen udstyret med metalens til at tage billeder af et stribet mål. De sammenlignede derefter kvaliteten af ​​billeder taget i forskellige vinkler på tværs af scenen, og fandt den nye linse frembragte billeder af striberne, der var skarpe og klare, selv i kanterne af kameraets udsigt, strækker sig over næsten 180 grader.

"Det viser, at vi kan opnå perfekt billedpræstation på tværs af næsten hele 180-graders visning, ved hjælp af vores metoder, "Gu siger.

I en anden undersøgelse, teamet designet metalerne til at fungere ved en nær-infrarød bølgelængde ved hjælp af amorfe silicium-nanoposter som meta-atomer. De sluttede metalerne til en simulering, der blev brugt til at teste billeddannelsesinstrumenter. Næste, de fodrede simuleringen med en scene i Paris, består af sort -hvide billeder, der er syet sammen for at få en panoramaudsigt. De kørte derefter simuleringen for at se, hvilken slags billede den nye linse ville producere.

"Det centrale spørgsmål var, dækker linsen hele synsfeltet? Og vi ser, at det fanger alt på tværs af panoramaet, "Gu siger." Du kan se bygninger og mennesker, og opløsningen er meget god, uanset om du ser på midten eller kanterne. "

Teamet siger, at den nye linse kan tilpasses andre lysbølgelængder. For at lave en lignende flad fiskeøje linse til synligt lys, for eksempel, Hu siger, at de optiske funktioner muligvis skal gøres mindre, end de er nu, for bedre at bryde det pågældende område af bølgelængder. Linsematerialet skulle også ændres. Men den generelle arkitektur, som teamet har designet, forbliver den samme.

Forskerne undersøger applikationer til deres nye linse, ikke bare som kompakte fiskeøje -kameraer, men også som panoramaprojektorer, samt dybdesensorer indbygget direkte i smartphones, bærbare computere, og bærbare enheder.

"I øjeblikket, alle 3D-sensorer har et begrænset synsfelt, det er derfor, når du lægger dit ansigt væk fra din smartphone, den genkender dig ikke, "Gu siger." Det, vi har her, er en ny 3D-sensor, der muliggør panoramisk dybdeprofilering, som kunne være nyttig for forbrugerelektronisk udstyr. "