Om panoramische uitzichten in één opname vast te leggen, fotografen gebruiken meestal fisheye-lenzen - ultragroothoeklenzen gemaakt van meerdere stukken gebogen glas, die binnenkomend licht vervormen om brede, bubbelachtige afbeeldingen. Hun bolvormige, meerdelige ontwerp maakt fisheye-lenzen inherent omvangrijk en vaak kostbaar om te produceren.

Nu hebben ingenieurs van MIT en de Universiteit van Massachusetts in Lowell een groothoeklens ontworpen die volledig plat is. Het is de eerste platte fisheye-lens die scherpe, 180 graden panoramische beelden. Het ontwerp is een soort "metalens, " een flinterdun materiaal met een patroon met microscopische kenmerken die samenwerken om licht op een specifieke manier te manipuleren.

In dit geval, de nieuwe fisheye-lens bestaat uit een enkele platte, millimeter dun stuk glas aan één kant bedekt met kleine structuren die binnenkomend licht precies verstrooien om panoramische beelden te produceren, net als een conventionele gebogen, multi-element fisheye-lensmontage zou. De lens werkt in het infrarode deel van het spectrum, maar de onderzoekers zeggen dat het ook kan worden aangepast om beelden vast te leggen met zichtbaar licht.

Het nieuwe ontwerp kan mogelijk worden aangepast voor een reeks toepassingen, met dunne, ultragroothoeklenzen rechtstreeks ingebouwd in smartphones en laptops, in plaats van fysiek bevestigd als omvangrijke add-ons. De low-profile lenzen kunnen ook worden geïntegreerd in medische beeldvormingsapparatuur zoals endoscopen, evenals in virtual reality-brillen, draagbare elektronica, en andere computer vision-apparaten.

"Dit ontwerp komt enigszins als een verrassing, omdat sommigen dachten dat het onmogelijk zou zijn om een ​​metalens te maken met een ultrabrede weergave, " zegt Juejun Hu, universitair hoofddocent bij MIT's Department of Materials Science and Engineering. "Dat hiermee daadwerkelijk fisheye-beelden kunnen worden gerealiseerd, is volledig buiten verwachting.

Dit is niet alleen lichtbuigend, het is geestverruimend."

Hu en zijn collega's hebben hun resultaten vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Nano-letters . Hu's MIT-coauteurs zijn Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal, en Tian Gu, samen met Sensong An en Hualiang Zhang van UMass Lowell.

Ontwerp op de achterkant

Metalen, hoewel nog grotendeels in een experimenteel stadium, hebben het potentieel om het veld van de optica aanzienlijk te hervormen. Eerder, wetenschappers hebben metalenses ontworpen die hoge resolutie en relatief groothoekbeelden tot 60 graden produceren. Om het gezichtsveld verder uit te breiden, zouden traditioneel extra optische componenten nodig zijn om aberraties te corrigeren, of wazigheid - een oplossing die bulk zou toevoegen aan een metalens-ontwerp.

Hu en zijn collega's bedachten in plaats daarvan een eenvoudig ontwerp dat geen extra componenten vereist en een minimaal aantal elementen behoudt. Hun nieuwe metalens is een enkel transparant stuk gemaakt van calciumfluoride met aan één kant een dunne film van loodtelluride. Het team gebruikte vervolgens lithografische technieken om een ​​patroon van optische structuren in de film te kerven.

Elke structuur, of "meta-atoom, " zoals het team naar hen verwijst, is gevormd in een van de verschillende geometrieën op nanoschaal, zoals een rechthoekige of een botvormige configuratie, dat licht op een bepaalde manier breekt. Bijvoorbeeld, licht kan er langer over doen om te verstrooien, of propageren van de ene vorm ten opzichte van de andere - een fenomeen dat bekend staat als fasevertraging.

In conventionele fisheye-lenzen, de kromming van het glas zorgt op natuurlijke wijze voor een verdeling van fasevertragingen die uiteindelijk een panoramisch beeld oplevert. Het team bepaalde het bijbehorende patroon van meta-atomen en kerfde dit patroon in de achterkant van het vlakglas.

'We hebben de structuren aan de achterkant zo ontworpen dat elk onderdeel een perfecte focus kan produceren, "zegt Hu.

Aan de voorzijde, het team plaatste een optische opening, of opening voor licht.

"Als er licht door deze opening binnenkomt, het zal breken aan het eerste oppervlak van het glas, en zal dan in een hoek worden verspreid, " legt Shalaginov uit. "Het licht zal dan verschillende delen van de achterkant raken, vanuit verschillende en toch continue hoeken. Zolang je de achterkant goed ontwerpt, je kunt er zeker van zijn dat je beeld van hoge kwaliteit krijgt over het hele panoramische beeld."

Over het panorama

In een demonstratie de nieuwe lens is afgestemd om te werken in het midden-infrarode gebied van het spectrum. Het team gebruikte de beeldopstelling uitgerust met de metalens om foto's te maken van een gestreept doelwit. Vervolgens vergeleken ze de kwaliteit van foto's die vanuit verschillende hoeken over de scène waren genomen, en ontdekte dat de nieuwe lens beelden van de strepen produceerde die helder en duidelijk waren, zelfs aan de randen van het zicht van de camera, bijna 180 graden overspannen.

"Het laat zien dat we perfecte beeldprestaties kunnen bereiken over bijna het hele 180-gradenbeeld, met behulp van onze methoden, "zegt Gu.

In een andere studie, het team ontwierp de metalens om te werken op een nabij-infrarode golflengte met behulp van amorfe silicium nanoposten als de meta-atomen. Ze stopten de metalens in een simulatie die werd gebruikt om beeldvormende instrumenten te testen. Volgende, ze voedden de simulatie een scène van Parijs, samengesteld uit zwart-witafbeeldingen die aan elkaar zijn genaaid om een ​​panoramisch uitzicht te maken. Vervolgens voerden ze de simulatie uit om te zien wat voor soort beeld de nieuwe lens zou produceren.

"De belangrijkste vraag was dekt de lens het hele gezichtsveld? En we zien dat het alles over het panorama vastlegt, " zegt Gu. "Je kunt gebouwen en mensen zien, en de resolutie is erg goed, ongeacht of je naar het midden of de randen kijkt."

Het team zegt dat de nieuwe lens kan worden aangepast aan andere golflengten van licht. Om een ​​vergelijkbare platte fisheye-lens voor zichtbaar licht te maken, bijvoorbeeld, Hu zegt dat de optische kenmerken misschien kleiner moeten worden gemaakt dan ze nu zijn, om dat specifieke bereik van golflengten beter te breken. Ook het lensmateriaal zou moeten veranderen. Maar de algemene architectuur die het team heeft ontworpen, zou hetzelfde blijven.

De onderzoekers onderzoeken toepassingen voor hun nieuwe lens, niet alleen als compacte fisheye-camera's, maar ook als panoramische projectoren, evenals dieptesensoren die rechtstreeks in smartphones zijn ingebouwd, laptops, en draagbare apparaten.

"Momenteel, alle 3D-sensoren hebben een beperkt gezichtsveld, daarom, wanneer je je gezicht weghoudt van je smartphone, het zal je niet herkennen, " zegt Gu. "Wat we hier hebben is een nieuwe 3D-sensor die panoramische diepteprofilering mogelijk maakt, die nuttig zou kunnen zijn voor consumentenelektronica."