作者:程唯珈 来源:中国科学报 发布时间:2019-1-28
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无色差高颜值的拍照“神器”来了!

 

■本报见习记者 程唯珈

美颜相机、数码单反相机……既要不失真,更要拍得好看,如何得到对身边彩色世界的最优成像,一直是人们的美好期待,也是光学相机研究的重要课题和科学家追求的终极目标。

近日,南京大学固体微结构物理国家重点实验室教授、中国科学院院士祝世宁课题组与台湾大学、台湾“中研院”教授蔡定平课题组合作研发出基于消色差超构透镜阵列的全彩色光场成像拍照系统,带来高清晰度与高集成度的拍照新模式。日前,该成果发表在《自然—纳米技术》上。

无色差,才能拍得美

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。

人们使用一般相机时,拍照前须选定目标物体,根据光线和角度进行图像定格,想要拍出一张理想的照片大多取决于拍照人的水平和经验。但光场相机可让拍摄者先拍照,随即通过微透镜阵列从入射光的强度和方向获得更为复杂的立体光学信息, 自动组成更完美的图像。对于“手残党”来说,这确实是个福音。

然而作为小众产品,其研发的速度毕竟跟不上影像行业的革新。甭说爱美人士想要的“大脸瘦脸”等功能,连基本色差都解决不了,像素和画质都较难满足用户需求,加之高昂的价格,光场相机在民用化道路上越走越远。

“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。

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(通光口径)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。

有没有办法可以对此技术进行改进,从而实现更优的成像呢?自然界的昆虫复眼给了科学家灵感。

打造高质量全彩光场成像系统

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。

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。

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。

“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。

基于上述设计,科学家开展了样本制作和实验测试,选取GaN半导体材料进行样品制作。

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。”

在最终的光场成像测试结果中,实验人员在对不同深度、颜色的ABC字母进行的光场成像及对白光照明的分辨率板的成像中,都没有看到明显的色差效应。实验人员通过对物体的空间位置的反演,实现了对物体运动速度的提取。这也是光场成像的重要用途。

开启高颜值拍摄新模式

据了解,基于消色差超构透镜阵列实现的全彩色光场成像系统,挑战了传统的成像模式,是一个较有前景的市场方向。

王漱明告诉《中国科学报》:“该系统可以让拍照成像的颜色更真实、成像质量更高。同时立体成像可以采集个人的身材或者面部的三维信息,结合虚拟现实技术实现虚拟换妆和换装。在生活中,对场景的三维立体成像也有很多应用,包括家装和展示的设计等。”

祝世宁介绍,使用超构透镜代替传统透镜是成像技术的一场革命,使未来的照相机、显微镜等成像系统体积更小、重量更轻、性能更强、功能更多。

“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。

相关论文信息:DOI:10.1038/s41565-018-0347-0

《中国科学报》 (2019-01-28 第1版 要闻)
 
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