文 | 《中国科学报》实习生 马静 记者 李晨阳

编辑 | 贺涛

为什么拍合影别往边上站？因为相机镜头都有畸变，越往边缘越严重，整个人都可能给扯变形。

传统单反相机除了贵，最大痛点是什么？镜头太沉了。

如今，南京大学教授李涛团队设计出一种新型的平面广角相机——单层超构透镜阵列广角相机（metalens array integrated wide-angle camera,MIWC），一举解决了上述难题。最大的突破就在新研制的镜头上，它十分轻薄，仅1微米。但可实现较高质量的广角成像，并且没有畸变。

近日，这项研究成果发表在国际光学领域顶级期刊Optica上。

仔细观察普通相机镜头时会发现，其内部是由许多曲面透镜层层叠加组成。

为什么不用单个透镜呢？

这是由于传统透镜对于不同波长的光具有不同的折射率，单层透镜无法将各种光线聚焦于同一点，容易产生色差和像差。其中像差的存在会限制透镜的视场角，使得单个透镜无法获得广角的清晰成像。因此，镜头厂商们便将多个不同厚度和材质的透镜层层叠加，以解决成像的色差与像差问题。

即便如此，消除色像差的透镜模组在广角成像时往往还存在像畸变的问题，就像本文开头所说的，大家在合影时遇到的窘境。

而且，这种透镜叠加也带来了新的问题：叠加的透镜越多，确实会让成像质量越好，但镜头的重量也越来越大——这样的“长枪短炮”往往会给拍摄者带来不小的携带负担。

那么，是否有一种轻薄的平面透镜，能够有效减轻镜头的重量呢？针对更高要求的专业成像系统，如天文望远镜、高倍显微镜等，有没有可能实现便携化呢？

在这些问题的驱动下，李涛研究团队展开了对微纳光学的深入研究，并在一种名为“超构透镜”的新型透镜上找到了突破口。

超构透镜源自于超构材料与超构表面，是一种具有纳米结构扁平表面（超构表面）的新型透镜。与传统透镜相比，超构透镜具有轻薄小巧、平面结构等特征，能够在减少畸变的情况下，大大提升透镜聚焦光线的能力。

借助于超构透镜超轻、超薄的优势，李涛团队设计出了一种基于超构透镜阵列的平面广角相机，实现了超过120°视角高质量的广角成像功能。

超薄平面超构透镜广角相机实物照

“考虑到单个透镜无法获得比较大的视角，我们选择了另辟蹊径。”李涛向《中国科学报》介绍道，“不再纵向叠加，而是将一系列超构透镜横向平铺展开，形成单层超构透镜阵列，充分发挥了透镜超轻薄的优势，使每个镜头都能捕捉广角场景中的一部分。然后通过计算，将每个图像中最清晰的部分拼接在一起，从而生成最终的高质量广角图像。”

在演示实验中，研究人员分别使用单个超构透镜与阵列式的超构透镜广角相机，对投影在曲面屏幕上的“NANJING UNIVERSITY（南京大学）”字样进行成像。

结果显示，该超构透镜构成的平面相机可以在不降低分辨率的情况下，极大地扩展了视场范围，在120度范围内都能获得无畸变清晰的成像。

左：成像装置示意图；右上：单个超构透镜成像结果；右下：超构透镜广角相机成像结果

传统的广角成像通常使用鱼眼复合镜头或其他类型的多层镜头，由于体积较大，应用的场景往往受限。

而超构透镜轻薄小巧，不仅可以应用于自动驾驶、无人机监控等场景中，提高广角成像的性能和安全性，而且还能应用于显微镜等微观场景中，在保证成像质量的前提下，扩大显微镜的观察视野，使细节与全貌“完美”兼得。

甚至，在不久的将来，超构透镜还能深入抵达狭小的空间内，例如精密实验仪器的内部，为实验仪器的检查与维修带来极大的便利。

“我们做的超构透镜成像技术并非完全瞄准取代性的应用，而是有望发展出全新的应用领域，让之前的不可能变为可能，让想象变为现实。”李涛表示。

参考链接：

https://www.optica.org/en-us/about/newsroom/news_releases/2022/april/researchers_create_miniature_wide-angle_camera_wit/

https://www.eurekalert.org/news-releases/949421

https://eng.nju.edu.cn/a4/88/c4967a566408/page.htm

https://www.sohu.com/a/425165388_100034932