Konstnärlig 3D-illustration av metallens brett synfält som fångar ett 180° panorama av MIT:s Killian Court och producerar en högupplöst monokromatisk platt bild." Kredit:Mikhail Shalaginov, Tian Gu, Christine Daniloff, Felice Hankel, Juejun Hu
För att fånga panoramavyer i en enda bild, fotografer använder vanligtvis fisheye-linser - ultravidvinkellinser gjorda av flera delar av krökt glas, som förvränger inkommande ljus för att producera brett, bubbelliknande bilder. Deras sfäriska, flerdelad design gör fisheye-linser i sig skrymmande och ofta dyra att tillverka.
Nu har ingenjörer vid MIT och University of Massachusetts i Lowell utformat ett vidvinkelobjektiv som är helt platt. Det är den första platta fisheye-linsen som ger skarpa, 180-graders panoramabilder. Designen är en typ av "metaller, " ett oblattunt material mönstrat med mikroskopiska egenskaper som arbetar tillsammans för att manipulera ljus på ett specifikt sätt.
I detta fall, den nya fisheye-linsen består av en enda platt, millimetertunn glasbit täckt på ena sidan med små strukturer som exakt sprider inkommande ljus för att producera panoramabilder, precis som en konventionell krökt, multielement fisheye lins montering skulle. Linsen fungerar i den infraröda delen av spektrumet, men forskarna säger att den kan modifieras för att ta bilder med synligt ljus också.
Den nya designen kan eventuellt anpassas för en rad applikationer, med tunna, ultravidvinkellinser inbyggda direkt i smartphones och bärbara datorer, snarare än fysiskt fäst som skrymmande tillägg. Lågprofillinserna kan också integreras i medicinska avbildningsanordningar som endoskop, såväl som i virtual reality-glasögon, bärbar elektronik, och andra datorseende enheter.
"Den här designen kommer som lite av en överraskning, eftersom vissa har trott att det skulle vara omöjligt att göra en metalens med en ultravid fältvy, "säger Juejun Hu, docent vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik. "Det faktum att detta faktiskt kan realisera fisheye-bilder är helt utanför förväntan.
Det här är inte bara ljusböjande – det är sinnesböjande."
Hu och hans kollegor har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Nanobokstäver . Hus MIT-medförfattare är Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal, och Tian Gu, tillsammans med Sensong An och Hualiang Zhang från UMass Lowell.
Ovanifrån fotografi av linsen som visar den tillverkade metaytan (grönt område). Upphovsman:Felice Frankel
Design på baksidan
Metalenses, medan de fortfarande till stor del befinner sig i ett experimentellt stadium, har potential att väsentligt omforma optikområdet. Tidigare, forskare har designat metalenses som producerar högupplösta och relativt vidvinkelbilder på upp till 60 grader. För att utöka synfältet ytterligare skulle traditionellt kräva ytterligare optiska komponenter för att korrigera för aberrationer, eller suddighet – en lösning som skulle lägga mer bulk till en metalens design.
Hu och hans kollegor kom istället fram till en enkel design som inte kräver ytterligare komponenter och håller ett minimum antal element. Deras nya metaller är en enda transparent bit tillverkad av kalciumfluorid med en tunn film blytellurid avsatt på ena sidan. Teamet använde sedan litografiska tekniker för att skära in ett mönster av optiska strukturer i filmen.
Varje struktur, eller "meta-atom, "som laget hänvisar till dem, är formad till en av flera nanoskala geometrier, såsom en rektangulär eller benformad konfiguration, som bryter ljus på ett specifikt sätt. Till exempel, ljuset kan ta längre tid att spridas, eller fortplanta sig från en form mot en annan – ett fenomen som kallas fasfördröjning.
I konventionella fisheye-linser, glasets krökning skapar naturligtvis en fördelning av fasfördröjningar som i slutändan ger en panoramabild. Teamet bestämde motsvarande mönster av metaatomer och ristade in detta mönster på baksidan av det platta glaset.
"Vi har designat baksidans strukturer på ett sådant sätt att varje del kan ge ett perfekt fokus, "Säger Hu.
På framsidan, laget placerade en optisk bländare, eller öppning för ljus.
"När ljus kommer in genom denna bländare, det kommer att brytas vid den första ytan av glaset, och kommer sedan att spridas i vinkel, "Förklarar Shalaginov." Ljuset kommer då att träffa olika delar av baksidan, från olika och ändå kontinuerliga vinklar. Så länge du designar baksidan ordentligt, du kan vara säker på att få högkvalitetsbilder över hela panoramavyn."
Tvärs över panoramat
I en demonstration, det nya objektivet är inställt för att fungera i mitten av det infraröda området av spektrumet. Teamet använde bildinställningen utrustad med metallerna för att ta bilder av ett randigt mål. De jämförde sedan kvaliteten på bilder tagna i olika vinklar över scenen, och fann att den nya linsen producerade bilder av ränderna som var skarpa och tydliga, även vid kanterna av kamerans vy, spänner över nästan 180 grader.
"Det visar att vi kan uppnå perfekt bildprestanda över nästan hela 180-gradersvyn, använder våra metoder, "Säger Gu.
I en annan studie, teamet designade metalens för att fungera vid en nära-infraröd våglängd med amorfa kiselnanoposter som metaatomer. De kopplade in metalens till en simulering som användes för att testa bildinstrument. Nästa, de matade simuleringen en scen i Paris, består av svartvita bilder sammanfogade för att skapa en panoramavy. De körde sedan simuleringen för att se vilken typ av bild den nya linsen skulle producera.
"Nyckelfrågan var, täcker linsen hela synfältet? Och vi ser att den fångar allt över panoramat, " säger Gu. "Du kan se byggnader och människor, och upplösningen är mycket bra, oavsett om du tittar på mitten eller kanterna."
Teamet säger att den nya linsen kan anpassas till andra våglängder av ljus. För att göra en liknande platt fisheye -lins för synligt ljus, till exempel, Hu säger att de optiska funktionerna kanske måste göras mindre än de är nu, för att bättre bryta det specifika våglängdsintervallet. Linsmaterialet skulle också behöva ändras. Men den allmänna arkitekturen som teamet har designat skulle förbli densamma.
Forskarna undersöker applikationer för deras nya lins, inte bara som kompakta fisheye-kameror, men också som panoramaprojektorer, såväl som djupsensorer inbyggda direkt i smartphones, bärbara datorer, och bärbara enheter.
"För närvarande, alla 3D-sensorer har ett begränsat synfält, det är därför när du lägger ansiktet borta från din smartphone, den kommer inte att känna igen dig, "Gu säger." Det vi har här är en ny 3D-sensor som möjliggör panoramadjupprofilering, som kan vara användbar för konsumentelektronik."