MIT工程师们制造出了完全平坦的鱼眼镜头

这里，麻省理工学院和洛厄尔的马萨诸塞州大学（the University of Massachusetts at Lowell）的工程师设计了完全平坦的广角镜头。它是第一台可产生清晰的,180o全景图像的平面鱼眼镜头。这是一种“超透镜”设计，在一种薄晶圆材料上刻蚀有微观特征，在这些特征共同作用下，以特定的方式操纵光。相关论文发表在《Nano Letters》上。

图注：3D艺术插图，描绘了麻省理工学院基利安法院的180°全景，并生成高分辨率的单色平面图像。

背景

      具有大视场的光学系统对于高性能成像，检测，图像或光束投影以及傅立叶光学系统至关重要。这种系统最早的一个例子是托马斯·萨顿（Thomas Sutton）于1858年首创的全景相机，其中包括单个充满水的球面透镜，在覆盖有反应性乳剂的弯曲玻璃板上产生图像。由于在制造和处理弯曲板方面存在明显的困难，最初的方法很快就被放弃了，但它概述了实现宽视场角（FOV）成像的基本挑战。自那时以来，全景摄影一直沿平面探测器的路径发展，同时依靠复合透镜组件（俗称“鱼眼透镜”）来减少大视场角下的光学像差。然而，这种多透镜结构增加了光学系统的尺寸、重量和装配复杂性。超表面是能够用亚波长结构阵列控制光的相位，振幅和偏振的设备，是一种有前景的解决方案，可实现平坦且紧凑的光学组件。
 

基于超表面的设计已被广泛用于构造平面超薄透镜，也称为 metalenses，以减轻几种类型的像差，尤其是球面像差和色差。但是，与角度相关的像差（例如彗差，像散和场曲率）是实现具有增强功能，保持最少的元件数量的光学系统所必须克服的主要挑战。由于入射角（AOI）不同而引起的相位剖面变化会导致三阶（Seidel）像差，从而限制了FOV。现如今，已经实施了几种超透镜设计从而抑制慧差并扩大衍射极限的视场角，一种方法是在球形表面上雕刻超表面，然而，这带来了很大的制造挑战。另一个解决方案是基于传统的光学系统设计原理级联多个超表面。在这种双超表面透镜设计中，聚焦功能主要由一个超表面执行，而另一个超表面则用于校正轴上的波前像差。已经证明了这种超透镜的衍射极限FOV高达约56°28。相比之下，单层金属离子的FOV已被限制为30°，并且由于渐晕而降低了衍射极限分辨率，并且该设计还存在6−20%的低光学效率和对装配失调的敏感性。

为此，研究人员展示了第一个全景超透镜，其破纪录的衍射极限FOV超过170°。宽视场（WFOV）超透镜采用一种简单且易于制造的结构，仅由单个超表面层和一个集成在薄衬底上的孔径组成，可校正三阶赛德尔（Seidel）像差，包括彗差，像散和像场弯曲。此外，透镜具有平面焦面，这大大简化了相关探测器（用于成像和检测）或光发射器（用于图像/光束投影、显示等）阵列设计。尽管该设计是完全通用并且可扩展至其他超原子结构和工作波段，实验演示中，新透镜使用惠更斯超原子在中红外波段工作。

metalens的设计、制造、成像演示

实验中，利用有限元方法（FEM）和基尔霍夫衍射积分的分层组合来设计超透镜，其工作波长为5.2μm，通过双层抗蚀剂剥离法，在2毫米厚的氟化钙（CaF2）平面基板（在5.2 μm处 n = 1.4）上使用电子束光刻技术制造超透镜。直径为1mm的圆形孔位于基板的正面，背面为5.2×5.2mm2的超表面。超表面包含2000×2000个由PbTe制成的惠更斯形超原子，晶格常数为2.5μm。超表面的恒定焦距设定为2 mm，对应有效数值孔径（NA）为0.24。为了演示它的成像功能，采用超透镜收集物体散射的光，使用的物体为USAF分辨老板，通过中红外透镜将其投射到InSb FPA相机上。所选测定区域条纹宽度为13.9 μm，接近透镜的理想衍射极限分辨率（13.2μm），实验实现了衍射极限FOV超过170°。为了进行比较，他们还使用OpticStudio对相同的成像设置进行了仿真，仿真与实验结果具有很好的一致性。

为了展示所提出方法的多功能性，他们进一步提出了一种偏振不敏感的近红外（NIR）超透镜设计，工作波长为 940 nm，有效NA为0.2。该超表面由在蓝宝石（Al2O3）衬底背面上构图的非晶Si（a-Si）纳米柱，以及位于衬底正面的孔径光阑组成。使用OpticStudio对NIR WFOV超透镜的成像性能进行了数值研究，分析表明，该超表面设计在图像平面上实现了2.9μm的衍射极限空间分辨率，在整个180°FOV范围内的平均角分辨率约为0.1°。为了评估其成像性能，进一步使用了从凯旋门拍摄的单色、180°缝合的水平全景照片作为场景输入模拟装置中进行仿真，该场景位于离超透镜无限远的地方，通过超透镜可以轻松地从各个角度以高质量和最小像差对场景成像。

研究指出，这种设计概念是通用的，可以很容易地适应不同的超原子几何形状和波长范围，例如，为了制造一个类似的可见光波段平面鱼眼镜头，光学特征必须比现在更小，以更好地折射特定波长范围。镜片的材料也必须改变，但总体架构将保持不变。

麻省理工学院材料科学与工程系副教授Juejun Hu说：“这种设计有些令人惊讶，因为有些人认为不可能制造出具有超宽视野的超透镜。” 事实上，这种超透镜实现鱼眼图像是完全出乎意料的。Gu说：“这表明使用该方法可以在几乎整个180度视角上实现完美的成像性能。”

“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，它不会认出你，” Gu说，“我们现在拥有的是一种新的3D传感器，可以实现全景深度分析，这将对消费类电子设备很有用。”

该设计可能会适用于多种应用，例如，将超薄的广角的镜头直接内置在智能手机和笔记本电脑上，而不是作为额外的附加组件进行物理连接。这种低轮廓镜片还可以集成到医疗成像设备中，例如内窥镜，虚拟现实眼镜、可穿戴电子设备和其他计算机视觉设备中。