前沿进展 | 基于超构透镜集成的平面广角相机

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士的研究团队研发出一种基于超构透镜阵列的平面广角相机，仅用亚微米厚的单层超构透镜阵列就实现了超过120°视角高质量的广角成像功能。该工作充分发挥了超构透镜超轻、超薄的优势，结合团队之前开发的超构透镜与CMOS成像芯片，整个平面广角相机相较商用鱼眼镜头在体积和重量上具有巨大优势（图1右侧平面广角相机的尺寸约1 cm×1 cm×0.3 cm）。该成果以“Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array”为题于2022年4月14日发表在Optica上。

图1 商用鱼眼镜头与超表面集成广角相机对比

2022 | 前沿进展

02 研究背景

广角成像对于捕获大量信息具有重要作用。对于自动驾驶和基于无人机的监控等机器视觉的应用场景，广角成像可以提高性能和安全性，例如显示在车辆倒车时无法看到的障碍物等。此外，广角成像在日常生活中也具有宽阔风景、人数众多的合照拍摄等常用功能。

传统的广角成像通常使用鱼眼复合镜头或其它类型的多层镜头来完成，但较大的体积限制了其应用场景。超构透镜是一种基于超构表面的衍射型透镜。得益于超构表面灵活高效的光场调控能力和极薄的尺寸，超构透镜自2016年被提出以来，被人们认为有望取代传统的体块折射型透镜。

近十年来研究人员付出大量的探索研究，极大地推进了超构透镜的性能表现。其中，人们就尝试各种设计方案来扩大超构透镜的视场，希望应用于广角成像功能，提出了如双层超表面结构、二次相位型超表面结构等方案。然而，到目前为止这些方案需要成像效率、成像分辨率等方面做出牺牲，整体来说其综合性能还不够理想。

03 研究创新点

李涛教授团队提出了一种基于超构透镜阵列的广角成像方案。其实现原理是对阵列中的每个透镜相位进行精心设计，在双曲聚焦相位的基础上附加一定的角度修正项，使得每个透镜可以对一定角度范围内的入射光高质量聚焦。阵列中所有透镜负责的角度范围可以覆盖120°的视角范围，然后通过将每个透镜的子图像拼接可以得到完整的广角成像（图2）。

图2 超构透镜广角成像效果示意图

研究人员首先对集成广角相机和单个透镜的成像性能进行了全面的表征，探测了不同角度入射光的聚焦光斑、聚焦效率和调制传递函数（MTF）等。验证了集成广角相机在大角度光成像性能上的优势（图3）。

图3 超构透镜阵列不同角度下成像性能表征。(a) 聚焦性能测试光路图；(b) 传统超构透镜对不同入射角度光焦距光斑（上行）对比超构广角相机结果（下行）；(c) 超构透镜阵列不同角度的聚焦效率；(d) 传统超构透镜MTFs（调制传递函数）与 (e) 角度设计的超构透镜阵列的MTFs的对比

随后该团队将超构透镜阵列集成到CMOS图像传感器上构建了超紧凑的平面广角相机（图4），然后对弧形幕布上广角投影物体进行成像。对比单个透镜的成像结果（图5），可以发现成像的视角得到了明显的扩展，实现了120°角度范围的高质量广角成像功能。

研究团队指出，这项研究中展示的平面相机使用了直径仅为 0.3 mm的单个超构透镜。他们计划将这些透镜尺寸放大到大约 1 ~5 mm，以提高相机的成像质量。优化后，大尺寸的超构透镜阵列可以量产，降低每个器件的成本。

图4 超薄平面超构透镜广角相机实物照

图5 广角成像对比。（左侧）成像装置示意图；（右上）单个超构透镜成像结果，对比（右下）超构透镜广角相机成像结果

04 总结与展望

该方案巧妙地利用了透镜阵列的优势，将纵向多层透镜才能完成的功能转化到了平面透镜阵列上，保证了超表面光学器件超轻超薄的优势。研发的高集成超构广角相机，有望用于智能手机，或汽车、无人机等载具，的便携式成像设备上。

值得一提的是，这是该团队基于超构透镜阵列实现的又一重要突破。在此之前，他们已成功利用超构透镜阵列实现了消色差超构光场相机[Nature Nanotechnology 14, 227-231 (2019)]，和高集成的大视场显微镜[Advanced Photonics 2, 066004 (2020)]。研究团队认为，超构透镜阵列可以充分展现超表面材料高集成、高灵活设计的优势，在成像探测、通信定位等领域具有广阔的应用前景。

南京大学副研究员陈绩博士为论文的第一作者，李涛教授为论文的通讯作者。工作得到了祝世宁院士的悉心指导，南京大学固体微结构国家重点实验室微加工中心为样品加工提供了重要技术支持。该研究得到国家重点研发计划（2016YFA0202103），国家自然科学基金（91850204, 12104223），以及南京大学登峰B计划支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.446063Optica News报道：Researchers Create Miniature Wide-Angle Camera with Flat Metalenses

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