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超緊湊光學(xué)設(shè)計(jì)增強(qiáng)VR/AR設(shè)備攝像頭的功能 日前，韓國首爾大學(xué)工程學(xué)院的研究人員宣布，他們開發(fā)出一種光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，利用下一代納米光學(xué)器件“超表面”的折疊透鏡系統(tǒng)，大大縮小了相機(jī)的體積。 通過在玻璃基板上布置超表面，使光線可以折疊的方式在玻璃基板中反射和移動(dòng)，研究人員實(shí)現(xiàn)了厚度為 0.7 毫米的透鏡系統(tǒng)，比現(xiàn)有的折射透鏡系統(tǒng)薄得多。這項(xiàng)研究成果于 10 月 30 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。  圖1.概念示意圖 傳統(tǒng)相機(jī)的設(shè)計(jì)是在捕捉圖像時(shí)堆疊多個(gè)玻璃鏡片以折射光線。雖然這種結(jié)構(gòu)能提供出色的高質(zhì)量圖像，但每個(gè)透鏡的厚度和透鏡之間的寬間距增加了相機(jī)的整體體積，使其難以應(yīng)用于需要超小型相機(jī)的設(shè)備，如虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR-AR）設(shè)備、智能手機(jī)、內(nèi)窺鏡、無人機(jī)等。 為了解決這一局限性，研究人員開發(fā)出了一種超薄相機(jī)系統(tǒng)，采用了結(jié)合超表面的新型鏡頭模塊設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)鏡頭系統(tǒng)的厚度減少了不到一半。  圖2.設(shè)計(jì)和制造 超表面被譽(yù)為下一代納米光學(xué)設(shè)備，能夠逐像素地精確控制光的三種特性——強(qiáng)度、相位和偏振。這是因?yàn)闃?gòu)成超表面的納米結(jié)構(gòu)以幾百納米（nm）的周期排列，比光的波長還短。 據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，通過設(shè)計(jì)一種針對特定波長（852 納米）進(jìn)行優(yōu)化的超表面，并在玻璃基板上水平排列多個(gè)薄片，光線可以在基板內(nèi)部多次反射，從而以折疊的方式在空間上有效地確保光路。研究小組展示了一種微型照相機(jī)的結(jié)構(gòu)，這種照相機(jī)通過一個(gè)由薄而折疊的透鏡模塊組成的系統(tǒng)來捕捉圖像，從而調(diào)整光的路徑。  圖3.聚焦性能 該系統(tǒng)不僅克服了傳統(tǒng)厚鏡頭模塊的物理限制，還能提供卓越的圖像質(zhì)量。這是因?yàn)樗茉?0.7 毫米厚的極小系統(tǒng)尺寸內(nèi)提供 10 度視場，并能在 f/4 光圈和 852 納米波長條件下提供接近衍射極限的高分辨率圖像。  圖 4.成像性能 得益于這些強(qiáng)大的競爭優(yōu)勢，研究人員開發(fā)的微型相機(jī)技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于各種先進(jìn)光學(xué)設(shè)備行業(yè)，如VR-AR設(shè)備、智能手機(jī)、醫(yī)療內(nèi)窺鏡和微型無人機(jī)等。 論文第一作者 Youngjin Kim 說：“這項(xiàng)研究意義重大，它為通過引入納米光學(xué)器件創(chuàng)新性地減小攝像頭厚度提供了一個(gè)創(chuàng)造性的突破口。我們將繼續(xù)開展研究，引領(lǐng)超表面輕薄相機(jī)的創(chuàng)新，由于其納米級的光調(diào)節(jié)自由度和通過半導(dǎo)體工藝制作，超表面相機(jī)兼具卓越的性能和工業(yè)效益�！� 論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adr2319 |
