基于平面超透镜的微型广角相机

图1 研究人员设计了一种新的小型相机，这种相机使用了超透镜阵列，可获取高质量的广角图像

研究人员设计了一种新型的微型相机，利用超表面透镜阵列来捕获高质量广角图像。这种新型相机免除了广角成像所需的笨重镜头，从而使广角相机有望集成到智能手机和汽车、无人机等便携式成像设备中。

南京大学李涛教授及其同事在Optica期刊上发表了这一研究成果。该相机厚度仅为0.3厘米，能捕获视角超过120度的清晰场景。

广角成像能够有效获取大量信息，生成超高质量的图像。在自动驾驶和无人机监控等机器视觉应用中，广角成像能提高性能和安全性，比如能够在倒车时显示出驾驶员无法看到的障碍物。

李教授说：“在这一微型广角相机中，我们使用了一组超透镜，每个都捕获广角场景的特定部分。随后将这些图像拼接在一起，在不降低图像质量的情况下形成一幅完整的广角图像。”

降低广角透镜尺寸

通常，广角成像通过鱼眼复合透镜或其他类型的多层透镜来实现。尽管此前也有使用超透镜进行广角成像的尝试，但多存在图像质量差等缺点。

图2 研究人员制作了超透镜阵列（右图为细节放大图），并将其直接安装在CMOS传感器上，制造出一台尺寸约为1厘米× 1厘米× 0.3厘米的平面相机

研究人员在新型相机中使用了一组超透镜，其中单个超透镜用于聚焦不同的光照角度。每个透镜都能对广角场景的某一部分进行清晰成像，随后通过计算机将每张图像中最清晰的部分拼接在一起、以形成最终的图像。

“超表面的设计灵活，因此每个透镜的聚焦和成像性能都能够独立优化。”李教授说。“因此经过拼接后，最终的广角图像质量非常高。更重要的是，这种阵列只需要一层材料就可以制造出来，降低了制造成本。”

成像角度更大的平面透镜

为了对这一新相机进行演示，研究人员使用纳米制造技术制造了一个超透镜阵列，并将其直接安装在CMOS传感器上，制造了一个尺寸约为1厘米× 1厘米× 0.3厘米平面相机。随后研究人员使用这台相机对一个广角场景进行了成像。这一成像场景是由两台投影仪投影在环绕于距相机15厘米处的曲面屏幕所创造的。

研究人员将新型平面相机与基于单一传统超透镜的相机进行了比较，同时使用两台相机对投影在曲面屏幕上的“南京大学”字样进行成像。平面相机可以清晰地显示出每个字母的图像，其视角大于120°，是传统超透镜相机的3倍以上。

研究人员指出，此项研究中的平面相机所使用的超透镜直径仅为0.3毫米；研究人员计划将其增加至1到5毫米，以提高相机的成像质量。优化后的阵列将能批量生产、进一步降低了单个器件的成本。

文章见：Ji Chen et al, A planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array, Optica (2022)。