刷新成像认知的超薄镜头问世:无需对焦,具有超大景深,厚约25微米

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刷新成像认知的超薄镜头问世:无需对焦,具有超大景深,厚约25微米
麻省理工科技评论 2020-03-16

2020-03-16

“多镜头相机” 将不复存在,未来的相机将彻底刷新我们的认知
技术 科学
“多镜头相机” 将不复存在,未来的相机将彻底刷新我们的认知

或许在不久的将来,我们再也没有机会吐槽 iPhone 的 “浴霸 N 摄” 有多丑,也不会再羡慕那些会玩单反的摄影达人有多牛。因为那时的手机更轻、更美观,任何人都可以轻易拍出专业级别的照片和影像作品。“多镜头相机” 将不复存在,未来的相机将彻底刷新我们的认知。

而这一切的可能性,都与一枚小小的平面镜片有着千丝万缕的关系。

日前,由美国犹他大学电气与计算机工程副教授 Rajesh Menon 领导的研究团队,在美国光学学会(OSA)的高影响力研究杂志 Optica 上发表的一篇论文中,就详细描述了一种名为多级衍射镜片(Multi-level Diffractive Lens,MDL)的新型平面镜片。

研究团队利用厚度仅约为千分之一英寸(0.0254 毫米)的单一平面镜片 MDL,创造了一种不需要对焦的相机。相比于常规相机,比如大多数智能手机相机,这一相机具有很大的优势。

据研究论文描述,MDL 在大幅降低相机和其他成像系统的重量、复杂性和成本的同时,还能为它们赋予新的功能。此外,可以将 MDL 用于实现更薄的智能手机相机,还可以用于内窥镜等生物医学成像的改进,以及为汽车制造更小巧的数码相机。MDL 由纳米结构材料制成,而并非玻璃或者塑料,这就使得它具有控制光线传播方式的重要光学特性。

为此,DeepTech 采访到了这篇研究论文的通讯作者 Rajesh Menon。他向我们详细介绍了这项发明的独特之处与潜在应用场景。

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图 | 厚度约为千分之一英寸的 MDL(来源:EurekAlert!)

Rajesh Menon 对 DeepTech 表示,除了用于摄影,MDL 还有许多其他有趣的应用,比如为激光雷达创造高效的照明,以及用于内窥镜、无人机和卫星等。

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常规相机,无论是用于智能手机,还是用于显微镜,都需要通过对焦的方式来保证物体的细节清晰呈现,如果存在多个与相机距离不同的物体,就需要分别对每个物体进行对焦。

为了聚焦光线,常规镜片会将平行光波转化为球面波,从而将其汇聚成一个焦点。在这里,不得不提 “像差” 这个概念,像差是指实际成像与根据单透镜理论确定的理想成像的偏离。一般情况下,在照相机、望远镜和其他光学仪器中,可以通过多个镜片的组合来降低像差。在常规相机中,通常是 6 个或 7 个透镜镜片。

刷新成像认知的超薄镜头问世:无需对焦具有超大景深,厚约25微米

(来源:Pixabay)

在实际光学系统中,只有平面反射镜在理论上才具有理想成像的性质。而目前我们使用的光学仪器,大多是通过多个透镜的组合聚焦成像来保证接近理想成像。Rajesh Menon 表示,单一 MDL 可以达到甚至超过多个常规镜头叠加使用的效果。

MDL 可以在很大的距离范围内产生连续的焦点,而不像常规镜片那样只能在单一的距离上实现聚焦。这就意味着,镜片远处不同距离的物体发出的光线都可以被聚焦到单一图像平面之上的对应图像点。单一 MDL 可以在从蓝色(450 纳米)到长波红外(15 微米)的工作带宽上形成图像。对此,Rajesh Meno 表示,“尽管只在一个范围内才会有效,但事实证明,这个范围比常规镜片对应的范围大几个数量级。”

此外,常规相机需要使用多个镜片来同时保持对不同颜色光线的对焦,MDL 消除了这一需求,允许任何相机同时对所有物体进行对焦。DeepTech 了解到,他们甚至可以创建一种可聚焦所有颜色光线的单一平面镜片,从而极大地简化相机的设计。比如,由于厚度的减少,MDL 有可能减少相机的整体厚度,并且 MDL 可以被用来设计成具有超大范围工作带宽的成像系统,从而取代多个相机,这对包括手机在内的消费性电子产品都很重要。

在选择了获得广泛景深的最佳镜片设计后,研究人员使用纳米制造技术制作了一个 MDL,并用红外线和相对较低的数值孔径(一种表示透镜能接受光线的角度范围的数字)演示了新镜片。实验效果符合预期,MDL 获得了比等效的常规镜片大几个数量级的景深。他们计划将镜片扩展到更大的数值孔径,并在全部可见光谱的情况下使用。

那么,使用 MDL 的拍照设备能否达到如今佳能、索尼、尼康等单反相机的拍照水准?对此,Rajesh Menon 表示,“没有什么根本的东西可以限制 MDL 生成达到高端商业镜片水平的图像。随着设计和制造方面产生足够多的进步,我们不仅能够满足甚至可能会超过最好的常规镜头系统的性能。MDL 可以具有多个常规镜头的整体性能,从而消除了相机精密装配的要求。”

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(来源:Pixabay)

预测应用很广,但能落地吗?

除了应用于相机,Rajesh Menon 还列举了几个其他方面的应用案例。

具有极致景深的 MDL,可以产生一个在很长距离内保持聚焦的光束。这种光束可以被用于激光雷达系统的照明。激光雷达系统整体效果是好是坏,工作现场的照明效率是一个关键的限制因素。

在内窥镜检查中,MDL 的优点是非常薄,因此可以很容易地嵌入小体积医疗器材内。

此外,超薄 MDL 可以取代相对更厚、更笨重的显微物镜,同时提供更好的分辨率。MDL 在机载摄像机场景下也有显著的应用,比如应用于无人机、卫星和其他航空航天领域。甚至,有助于开发出今天不存在的应用。

基于团队的研究成果,Rajesh Menon 认为,与光学类教科书中讲述的内容明显不同,研究表明,光传输受理想镜片(一种被称为瞳孔函数的概念)影响的方式不止一种。这就为镜片瞳孔函数打开了无限的可能性,研究团队在其中找到了一个可以达到极致深度聚焦的方式。

“这项研究说明,摒弃传统观念可以使之前被认为不可能的事情成为可能,它很好地提醒人们要对历史保持质疑,这是个很好的例子。” Rajesh Menon 说。

显然,并不是所有实验室产品都可以畅销市场。Rajesh Menon 认为,在进行商业化之前,他们必须确保 MDL 可以被批量生产。

“从实验室到现实世界非常有挑战性,但我们有过成功的经验。由于这是一种全新的镜片思维方式,我们需要创建设计和制造基础设施来实现这些。幸运的是,我们得到了美国的联邦资助机构以及产业合作方的大力支持,这些机构正在帮助我们减轻相关风险。此外,已经在进行几个商业项目,我们也非常愿意与对 MDL 感兴趣的团体合作。”

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(来源:Pixabay)

针对 MDL 目前是否存在技术缺陷这一问题,Rajesh Menon 表示,“我们仍然需要通过改进设计来提高图像的质量,更重要的是可以在市场上实际制作出这些镜片。此外,我们也要继续努力使我们的 MDL 与常规相机中现有的图像处理相兼容。”

未来的世界充满了无限的可能,而科学是帮助我们自由遐想的最好工具。无论是 MDL,还是未来出现的其他光学产品,我们期待这些技术和产品,可以帮助我们更好地看到这个世界的真实影像。也许,未来真的没有 “浴霸 N 摄” 了。

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