无色差高颜值的拍照“神器”来了!

当前,人们已经展示了利用超构表面研制的平板超构透镜可以媲美传统光学显微镜镜头的成像效果。不过,此类新原理设计真正走向应用还面临几项重要挑战,材料色散及衍射效应导致的色差就是其中之一。如何实现器件的宽带消色差是该领域大家公认的目标。围绕这个目标,国际上正在开展激烈研究竞赛。前人已报道的工作大多是通过参数优化方法实现几个孤立波长的消色差。对于连续波段的消色差,目前报道最好结果仅是60nm和140nm。其带宽难以拓展的原因是传统超构表面的结构单元所提供的参数空间很难同时满足消色差透镜所需的空域相位分布和频域相位补偿。因此,人们亟待发展出新的设计原理和方法来突破超构表面器件消色差带宽的瓶颈。

祝世宁告诉《中国科学报》,人们发现由多个小眼排列组成的昆虫复眼系统,具有更大的视野和更高的空间分辨能力。通过类比复眼结构,光场相机的镜头可以用多个微小透镜阵列组成。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

“该阵列不但解决了通光口径小的问题,同时对单个透镜的尺寸要求也降低,让其数值孔径变大,从而实现了更高的成像分辨率。多个成像透镜可以从不同角度观测物体,能很好地分辨出物体的深度。大家都很关注立体成像的能力(比如手机的面部识别),可以说这是一个一举多得的设计。”王漱明说。

接下来的光学测试获得的消色差效果与理论计算的结果符合的非常好。如图3所示,在1200nm到1650nm的波段中,得到了很好的消色差聚焦效果,焦距与理论设计基本一致。值得一提的是,这个消色差聚焦镜的带宽达到了450nm,已经接近中心波长的1/3,这是现有报道中最大的消色差带宽,远远超出前人的结果。而且,这个方案不仅可以设计连续宽带的超构表面聚焦镜,还可以设计连续宽带的超构表面反射板。在同样的工作频段,所有频率的入射光束都可以以同一角度反射,见图4。

打造高质量全彩光场成像系统

近期,现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士研究组与台湾中央研究院的蔡定平教授合作,在解决超构表面器件在连续宽频段上消色差的方面取得了重大进展。他们首先将透镜聚焦所需要的相位分解成两部分,即:频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位。然后巧妙结合超构表面结构设计的两种方案(共振性和几何相位性),通过几何相位设计聚焦透镜需要的基础相位分布,再通过共振设计补偿不同频率带来的相位色散。需要特别强调的是,通常的共振带来相位变化都是突变的,不满足与频率成正比的线性相位补偿。本工作中,他们提出了新颖的“集成共振(integrate resonance)”方案,通过特殊排列的金属棒的多个共振之间的线性相位区域,成功设计出满足聚焦透镜要求的一系列不同斜率的线性相位补偿的结构单元。图2b显示了利用纳米加工制备的反射性超构透镜样品照片,整个镜片的直径约55微米。右侧电子显微镜照片反映出了该超构透镜的结构单元具有几何相位的旋转排布,以及不同纳米棒形状及数目的集成共振性质。

为解决这一难题,祝世宁团队决定从解决色差问题入手。 2016年,该团队首先研制出单个连续宽带消色差超构透镜。该透镜虽能满足简单成像的要求,但为了实现宽带连续消色差,消色差超构透镜的尺寸和数值孔径(描述聚焦能力的参数)不能同时做得很大,单个透镜的尺寸大致在100微米左右,这限制了透镜的尺寸和聚焦能力。

该工作近日发表在NATURE COMMUNICATIONS 8, 187 (DOI: 10.1038/s41467-017-00166-7)。南京大学现代工程与应用科学学院研究员王漱明博士是论文的第一作者,台湾中央研究院的吴品颉博士和台湾大学的苏文生博士为并列第一作者,并列通讯作者是南京大学的李涛教授、王漱明研究员、祝世宁院士以及台湾中央研究院的蔡定平教授。该工作受到科技部重点研发计划(纳米专项和量子调控),国家自然科学基金创新群体项目、优秀青年基金、面上基金项目的支持,同时也感谢南京大学登峰人才计划的支持。

研究团队另辟蹊径,在原先单个消色差透镜取得突破的基础上,采用60×60的超构透镜阵列在可见光范围内准确捕捉光场的强度和方向信息,结合数字图像处理后得到消色差的清晰图像。

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在众多拍照“神器”中,光场相机无疑属于一个跨时代的概念产品。

澳门太阳集团2018网站,南京大学李涛/祝世宁研究组联合台湾中央研究院蔡定平研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展,他们提出集成共振的方案并与几何相位结合,成功设计并演示了工作带宽达到450纳米的反射性超构透镜消色差聚焦及定向反射,在超构表面器件的实用化迈出了重要一步。

“材料的光学特性随波长变化而改变,这导致了光学元器件的色差现象。色差问题严重影响着宽波段工作的光学系统的精度和效果,特别是在可见光波段的彩色成像。难以避免的色差现象大大影响了成像的效果。”论文并列第一作者、南京大学物理学院副教授王漱明分析说。

图4. 连续宽带消色差超构表面反射板示意图,不同频率相位差示意图,理论计算各种频率下消色差样品的反射角度,实验制备消色差反射板的SEM图,实验测试得到的反射效果。

然而,微小透镜阵列加工及组合具有极大难度,这也是传统消色差光场成像的“卡脖子”问题。

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无色差,才能拍得美

图2. 特殊排列的金属纳米棒结构与金属反射镜结合产生所需要的不同斜率线性相位补偿。根据设计实验加工出的样品光学显微照片和局部放大电子显微镜照片。

王漱明介绍:“样品制作需要使用SiO2薄膜作为硬膜,并结合精确调控的干法刻蚀工艺,才能实现这样高难度的加工。无论国际国内,可以实现这种加工水平的研究小组屈指可数。”

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“这次我们研发的基于可见光连续消色差超构透镜阵列的光场相机在手机、电脑、机器人视觉、自动驾驶车辆以及虚拟和增强现实等方面具有重要应用价值,带来的影响难以估量。”他说。

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