유리 조각은 선명한 파노라마 이미지를 생성합니다.

한 번의 촬영으로 파노라마 뷰를 캡처하기 위해 사진 작가는 일반적으로 어안 렌즈 (여러 개의 곡면 유리로 만든 초광각 렌즈)를 사용하여 들어오는 빛을 왜곡하여 넓고 거품 같은 이미지를 생성합니다. 구형의 멀티 피스 디자인으로 어안 렌즈는 본질적으로 부피가 크고 생산 비용이 많이 듭니다.

이제 MIT와 로웰의 매사추세츠 대학의 엔지니어들은 완전히 평평한 광각 렌즈를 설계했습니다. 선명한 180도 파노라마 이미지를 생성하는 최초의 플랫 어안 렌즈입니다. 이 디자인은 특정 방식으로 빛을 조작하기 위해 함께 작동하는 미세한 특징으로 패턴 화 된 웨이퍼 얇은 재료 인 "메탈 렌"유형입니다.

MIT의 Killian Court의 180 ° 파노라마를 캡처하고 고해상도 단색 평면 이미지를 생성하는 넓은 시야각 메탈 렌의 3D 예술적 일러스트레이션.” 이미지 크레딧 : Mikhail Shalaginov, Tian Gu, Christine Daniloff, Felice Hankel, Juejun Hu / MIT

이 경우 새로운 어안 렌즈는 기존의 곡선 형 다중 요소 어안 렌즈 어셈블리처럼 파노라마 이미지를 생성하기 위해 들어오는 빛을 정밀하게 산란시키는 작은 구조로 한쪽면을 덮은 단일 편평하고 밀리미터 두께의 유리 조각으로 구성됩니다. 렌즈는 스펙트럼의 적외선 부분에서 작동하지만 연구원들은 가시 광선을 사용하여 이미지를 캡처하도록 수정할 수 있다고 말합니다.

새로운 디자인은 부피가 큰 추가 기능으로 물리적으로 부착되지 않고 스마트 폰과 노트북에 직접 내장 된 얇은 초광각 렌즈를 사용하여 다양한 응용 분야에 잠재적으로 적용될 수 있습니다. 로우 프로파일 렌즈는 가상 현실 안경, 웨어러블 전자 장치 및 기타 컴퓨터 비전 장치뿐만 아니라 내시경과 같은 의료 이미징 장치에도 통합 될 수 있습니다.

MIT 재료 공학과의 부교수 인 Hu Juejun은“초광각 시야로 메탈 렌을 만드는 것이 불가능할 것이라고 생각했기 때문에이 디자인은 다소 놀랍습니다. “이것이 실제로 어안 이미지를 실현할 수 있다는 사실은 완전히 기대를 벗어났습니다.

이것은 단순히 빛을 구부리는 것이 아니라 마음을 구부리는 것입니다.”

Hu와 그의 동료들은 Nano Letters 저널에 결과를 발표했습니다 . Hu의 MIT 공동 저자는 Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal 및 Tian Gu와 UMass Lowell의 Sensong An 및 Hualiang Zhang입니다.

뒷면 디자인

Metalenses는 여전히 대부분 실험 단계에 있지만 광학 분야를 크게 재구성 할 가능성이 있습니다. 이전에 과학자들은 최대 60 도의 고해상도 및 상대적으로 광각 이미지를 생성하는 메탈 렌스를 설계했습니다. 시야를 더 확장하려면 전통적으로 수차 또는 흐릿함을 수정하기위한 추가 광학 부품이 필요했습니다. 이는 금속 설계에 부피를 추가하는 해결 방법입니다.

대신 Hu와 그의 동료들은 추가 구성 요소가 필요하지 않고 최소한의 요소 수를 유지하는 단순한 디자인을 내놓았습니다. 그들의 새로운 metalens는 한쪽에 납 텔루 라이드 박막이 증착 된 불화 칼슘으로 만든 하나의 투명한 조각입니다. 그런 다음 팀은 리소그래피 기술을 사용하여 광학 구조 패턴을 필름에 새겼습니다.

팀이 언급 한 각 구조 또는 "메타 원자"는 특정 방식으로 빛을 굴절시키는 직사각형 또는 뼈 모양의 구성과 같은 여러 나노 크기 기하학 중 하나로 형성됩니다. 예를 들어 빛은 산란하는 데 시간이 더 오래 걸리거나 한 모양에서 다른 모양으로 전파되는 데 시간이 더 걸릴 수 있습니다.이 현상을 위상 지연이라고합니다.

기존의 어안 렌즈에서 유리의 곡률은 자연스럽게 위상 지연 분포를 생성하여 궁극적으로 파노라마 이미지를 생성합니다. 팀은 메타 원자의 해당 패턴을 결정하고이 패턴을 평면 유리의 뒷면에 새겼습니다.

“우리는 각 부품이 완벽한 초점을 맞출 수 있도록 뒷면 구조를 설계했습니다.”라고 Hu는 말합니다.

팀은 전면에 광학 조리개 또는 빛을위한 개구부를 배치했습니다.

"빛이이 조리개를 통해 들어 오면 유리의 첫 번째 표면에서 굴절 된 다음 각도가 분산됩니다."라고 Shalaginov는 설명합니다. “그런 다음 빛은 서로 다르지만 연속적인 각도에서 뒷면의 다른 부분에 닿을 것입니다. 뒷면을 제대로 디자인하면 전체 파노라마 뷰에서 고품질 이미지를 얻을 수 있습니다.”

파노라마를 가로 질러

한 데모에서 새로운 렌즈는 스펙트럼의 중간 적외선 영역에서 작동하도록 조정되었습니다. 팀은 메탈 렌즈가 장착 된 이미징 설정을 사용하여 줄무늬 대상의 사진을 찍었습니다. 그런 다음 장면 전체에서 다양한 각도로 촬영 한 사진의 품질을 비교 한 결과 새 렌즈가 거의 180도에 이르는 카메라 시야의 가장자리에서도 선명하고 깨끗한 줄무늬 이미지를 생성한다는 사실을 발견했습니다.

Gu는“우리의 방법을 사용하여 거의 전체 180도 뷰에서 완벽한 이미징 성능을 얻을 수 있음을 보여줍니다.

또 다른 연구에서 팀은 비정질 실리콘 나노 포스트를 메타 원자로 사용하여 근적외선 파장에서 작동하도록 메탈 렌을 설계했습니다. 그들은 이미징 기기를 테스트하는 데 사용되는 시뮬레이션에 메탈 렌을 연결했습니다. 다음으로, 그들은 파노라마 뷰를 만들기 위해 함께 스티칭 된 흑백 이미지로 구성된 파리의 장면을 시뮬레이션에 제공했습니다. 그런 다음 시뮬레이션을 실행하여 새 렌즈가 어떤 종류의 이미지를 생성하는지 확인했습니다.

“핵심 질문은 렌즈가 전체 시야를 커버합니까? 그리고 우리는 그것이 파노라마 전체의 모든 것을 포착한다는 것을 알았습니다.”라고 Gu는 말합니다. "건물과 사람을 볼 수 있으며 중앙을 바라보고 있든 가장자리를 바라보고 있든 상관없이 해상도가 매우 좋습니다."

팀은 새로운 렌즈가 다른 파장의 빛에도 적용될 수 있다고 말합니다. 예를 들어 가시광 선용으로 유사한 평면 어안 렌즈를 만들려면 특정 파장 범위를 더 잘 굴절시키기 위해 광학 기능을 지금보다 작게 만들어야 할 수도 있다고 Hu는 말합니다. 렌즈 재질도 변경해야합니다. 그러나 팀이 설계 한 일반적인 아키텍처는 동일하게 유지됩니다.

연구원들은 소형 어안 카메라뿐만 아니라 파노라마 프로젝터뿐만 아니라 스마트 폰, 랩톱 및 웨어러블 장치에 직접 내장 된 깊이 센서에 대한 새로운 렌즈의 애플리케이션을 탐색하고 있습니다.

“현재 모든 3D 센서는 시야가 제한되어 있기 때문에 스마트 폰에서 얼굴을 떼면 사용자를 인식하지 못합니다.”라고 Gu는 말합니다. "여기에있는 것은 소비자 전자 장치에 유용 할 수있는 파노라마 깊이 프로파일 링을 가능하게하는 새로운 3D 센서입니다."

Jennifer Chu 글

출처 : Massachusetts Institute of Technology

https://www.technology.org/2020/09/18/engineers-produce-a-fisheye-lens-thats-completely-flat/