Forskere skaber miniature vidvinkelkameraer med flade metalenses

Forskere har designet et nyt kompakt kamera, der tager vidvinkelbilleder af høj kvalitet ved hjælp af en række metalenses - flade nanomønstrede overflader, der bruges til at manipulere lys. Ved at eliminere de omfangsrige og tunge linser, der typisk kræves til denne type billeddannelse, kan den nye tilgang gøre det muligt at integrere vidvinkelkameraer i smartphones og bærbare billedbehandlingsenheder til køretøjer såsom biler eller droner.

Tao Li og kolleger fra Nanjing University i Kina rapporterer om deres nye ultratynde kamera i Optica . Det nye kamera, som kun er 0,3 centimeter tykt, kan producere klare billeder af en scene med en betragtningsvinkel på mere end 120 grader.

Vidvinkelbilleder er nyttigt til at fange store mængder information, der kan skabe fantastiske billeder i høj kvalitet. Til maskinsynsapplikationer såsom autonom kørsel og dronebaseret overvågning kan vidvinkelbilleder forbedre ydeevnen og sikkerheden, for eksempel ved at afsløre en forhindring, du ellers ikke kunne se, mens du bakker i et køretøj.

"For at skabe et ekstremt kompakt vidvinkelkamera brugte vi en række metalenses, der hver især fanger visse dele af vidvinkelscenen," sagde Li. "Billederne sys derefter sammen for at skabe et vidvinkelbillede uden forringelse af billedkvaliteten."

Miniaturisering af vidvinkelobjektivet

Vidvinkelbilleddannelse udføres normalt med en fiskeøje-sammensatte linse eller en anden type flerlagslinse. Selvom forskere tidligere har forsøgt at bruge metalenses til at skabe vidvinkelkameraer, har de en tendens til at lide under dårlig billedkvalitet eller andre ulemper.

I det nye arbejde brugte forskerne en række metalenses, der hver især er omhyggeligt designet til at fokusere en anden række af belysningsvinkler. Dette gør det muligt for hvert objektiv klart at afbilde en del af et vidvinkelobjekt eller en scene. De klareste dele af hvert billede kan derefter sys sammen for at skabe det endelige billede.

"Takket være det fleksible design af metasurfladerne kan fokuserings- og billeddannelsesydelsen af ​​hver linse optimeres uafhængigt," sagde Li. "Dette giver anledning til et endeligt vidvinkelbillede af høj kvalitet efter en syningsproces. Desuden kan arrayet fremstilles ved hjælp af kun ét lag materiale, hvilket hjælper med at holde omkostningerne nede."

Se mere med flade linser

For at demonstrere den nye tilgang brugte forskerne nanofabrikation til at skabe et metalens-array og monterede det direkte på en CMOS-sensor, hvilket skabte et plant kamera, der målte omkring 1 cm × 1 cm × 0,3 cm. De brugte derefter dette kamera til at afbilde en vidvinkelscene skabt ved at bruge to projektorer til at oplyse en buet skærm, der omgiver kameraet i en afstand af 15 cm.

De sammenlignede deres nye plane kamera med et baseret på en enkelt traditionel metalen, mens de afbildede ordene "Nanjing University" projiceret hen over den buede skærm. Det plane kamera producerede et billede, der viste hvert bogstav klart og havde en betragtningsvinkel større end 120°, mere end tre gange større end kameraets, baseret på en traditionel metalens.

Forskerne bemærker, at det plane kamera, der blev demonstreret i denne forskning, brugte individuelle metalenses kun 0,3 millimeter i diameter. De planlægger at forstørre disse til omkring 1 til 5 millimeter for at øge kameraets billedkvalitet. Efter optimering kunne arrayet masseproduceres for at reducere omkostningerne ved hver enhed. + Udforsk yderligere

Farvesorterende metalenses øger billedfølsomheden