工程师们生产了一种完全平坦的鱼眼镜头

为了在一张照片中捕捉全景，摄影师通常使用鱼眼镜头-由多块曲面玻璃制成的超广角镜头，它扭曲入射光线，产生宽广的泡沫状图像。他们的球面，多件式设计使得鱼眼镜片天生笨重，生产成本往往很高。

现在，麻省理工学院和洛厄尔的马萨诸塞大学的工程师们设计了一种完全平坦的广角镜头。它是第一个能产生清晰的180度全景图像的扁平鱼眼镜头。这种设计是一种“金属透镜”，一种薄薄的材料，带有微观特征，它们共同作用，以特定的方式操纵光线。

在这种情况下，新的鱼眼透镜由一块平坦的、毫米薄的玻璃组成，一面覆盖着微小的结构，精确地散射入射光以产生全景图像，就像传统的弯曲、多元素鱼眼透镜组件一样。这种镜头工作在光谱的红外部分，但研究人员表示，它也可以进行修改，以利用可见光捕捉图像。

新的设计可能会被改造成适用于一系列应用，将薄的超广角镜头直接内置到智能手机和笔记本电脑中，而不是作为笨重的附加组件物理连接。这种低调镜头还可以集成到内窥镜等医学成像设备中，以及虚拟现实眼镜、可穿戴电子设备和其他计算机视觉设备中。

麻省理工学院材料科学与工程系副教授胡觉军表示：“这种设计有些出人意料，因为有些人认为不可能制造出超宽视野的金属透镜。”“这实际上可以实现鱼眼影像，这完全出乎人们的预料。

胡和他的同事们今天在“纳米快报”杂志上发表了他们的研究结果。胡的合著者是MIT的Mikhail Shalaginov，Fan Yang，Peter Su，Dominika Lyzwa，Anuradha Agarwal和Tian Gu，以及UMassLowell的Sensong An和张华良。

金属透镜虽然在很大程度上仍处于实验阶段，但有可能极大地重塑光学领域的面貌。此前，科学家们设计的金属透镜可以产生高分辨率和高达60度的相对广角图像。要进一步扩大视野，传统上需要额外的光学元件来校正像差或模糊-这一变通办法将增加金属透镜设计的体积。

相反，胡和他的同事们提出了一种简单的设计，不需要额外的组件，并保持最小的元素数量。他们的新金属是由氟化钙制成的一块透明的单片，一面沉积了一层碲化铅薄膜。然后，研究小组使用光刻技术在胶片上雕刻了光学结构的图案。

每个结构，或者团队所称的“元原子”，都被塑造成几个纳米级几何形状中的一个，比如矩形或骨状结构，以特定的方式折射光线。例如，光可能需要更长的时间才能散射或传播离开一种形状而不是另一种形状--这一现象称为相位延迟。

在传统的鱼眼镜头中，玻璃的曲率自然会产生相位延迟的分布，最终产生全景图像。研究小组确定了相应的准原子图案，并将该图案雕刻到平板玻璃的背面。

胡说：“我们设计了后部结构，每个部分都能产生完美的焦点。”

沙拉吉诺夫解释说：“当光线通过这个光圈进入时，它会在玻璃的第一个表面折射，然后会以一定角度分散。”“然后光线会从不同但连续的角度照射到背部的不同部分。只要把背面设计得当，就一定能在整个全景范围内实现高质量的成像。“。

在一个演示中，新镜头被调整为工作在光谱的中红外区域。研究小组使用配备了金属透镜的成像装置来拍摄条纹目标的照片。然后，他们比较了在不同角度拍摄的照片在整个场景中的质量，发现新镜头产生的条纹图像清晰明了，即使在相机的视野边缘也是如此，跨越了近180度。

“这表明，使用我们的方法，我们几乎可以在整个180度视野中实现完美的成像性能，”顾说。

在另一项研究中，研究小组设计了金属透镜，使其工作在近红外波长，使用非晶硅纳米孔作为元原子。他们将金属透镜插入用于测试成像仪器的模拟器中。接下来，他们给模拟提供了一个巴黎的场景，由拼接在一起的黑白图像组成，形成了一个全景。然后，他们运行模拟，看看新镜头会产生什么样的图像。

“关键问题是，镜头能覆盖整个视野吗？我们看到它捕捉到了全景中的一切，“顾说。“你可以看到建筑物和人，而且无论你是看中心还是看边缘，分辨率都非常好。”

该研究小组表示，新的镜片可以适应其他波长的光。例如，为了制造类似的可见光平面鱼眼镜头，胡说，光学特征可能必须比现在更小，以更好地折射那个特定的波长范围。镜片的材质也必须改变。但团队设计的总体架构将保持不变。

研究人员正在探索他们的新镜头的应用，不仅是作为紧凑型鱼眼相机，还可以作为全景投影仪，以及直接内置到智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备中的深度传感器。

“目前，所有3D传感器的视野都很有限，这就是为什么当你把脸从智能手机上移开时，它不会识别你，”顾说。“我们这里有的是一种新的3D传感器，它可以实现全景深度剖析，这可能对消费电子设备有用。”