При панорамной съемке, фотографы часто пользуются линзой под названием «рыбий глаз». Это широкоугольные линзы, в основе которых находятся изогнутые стекла, искажающие свет и создающие широкие изображения, снятые будто через пузырьки. Вот только конструкция из нескольких фрагментов стекла делает линзы подобного типа весьма громоздкими и дорогостоящими в производстве.
Сотрудники MIT занялись решением этой проблемы и создали абсолютно плоский широкоугольный объектив. Он является первой плоской конструкцией «рыбьего глаза», способной выдать хорошую панораму на 180 градусов. В основе конструкции лежит тонкая пластина, покрытая наноэлементами, работающими совместно.
Из-за этого новая линза представляет лишь один плоский фрагмент стекла толщиной около миллиметра. Одна его сторона имеет мельчайшие структуры, равномерно рассеивающие свет для создания панорамы так же, как это сделал бы обычный «рыбий глаз». Новое устройство работает в инфракрасной части спектра, однако его разработчики отмечают, что его можно модифицировать для захвата изображений и с использованием видимого света.
Эта разработка вполне может быть адаптирована для большого количества устройств с тонкими объективами, вживленными в смартфоны и подобные устройства. Кроме того, подобные линзы могут быть применены в медицине, например, установлены в эндоскопы. Не стоит забывать также и об VR-очках.
«Эта разработка оказалась для многих весьма неожиданной, потому как мало кто верил в то, что существует реальная возможность создать металинзу со сверхширокоугольным обзором», — отмечает Цзюэджун Ху, доцент кафедры материаловедения и инженерии в MIT. «А учитывая то, что она реально позволяет создавать изображения схожие с эффектом «рыбьего глаза», и вовсе превосходит любые ожидания».
Ранее исследователи создали металины, производившие фото с высоким разрешением и относительно широкоугольными изображениями до 60 градусов. Для дальнейшего расширения поля зрения традиционно потребовались бы дополнительные оптические компоненты для коррекции аберраций или размытости — обходной путь, который добавлял бы объемности металинзовому дизайну.
Вместо этого Ху и его коллеги разработали простой дизайн, не требующий дополнительных компонентов и обеспечивающий минимальное количество элементов. Усовершенствованная металинза является цельной прозрачной деталью из фторида кальция, покрытого тончайшим слоем теллурида свинца. Затем команда использовала методы литографии, чтобы вырезать узор из оптических структур на пленке.
Такая структура, прозванная ее разработчиками «метаатомом», имеет форму одной из ряда мельчайших геометрических фигур, которые призваны преломлять свет.
В обычных линзах типа «рыбий глаз» кривизна стекла естественным образом создает распределение фазовых задержек, которое в конечном итоге дает панорамное изображение. Команда определила соответствующий узор метаатомов и высекла этот узор на задней стороне плоского стекла.
«Мы разработали структуру тыльной стороны таким образом, чтобы каждая часть могла обеспечить идеальную фокусировку», — говорит Ху.
На лицевой стороне была размещена оптическая апертура, или отверстие для света.
«Когда свет проходит сквозь него, он преломляется на первой поверхности стекла, а затем рассеивается под углом», — говорит один из авторов разработки Михаил Шалагинов. «После он будет падать в разные части задней стенки под различными углами, непрерываясь. Если правильно спроектировать заднюю стенку, можно не сомневаться, что полученное панорамное изображение высокого качества».
Через панораму
В одной из демонстраций новый объектив настроен для работы в средней инфракрасной области спектра. Команда использовала установку визуализации, оснащенную металинзой, чтобы сфотографировать полосатую цель. Затем они сравнили качество снимков, сделанных под разными углами по всей сцене, и обнаружили, что новый объектив дает четкие изображения полос даже по краям обзора камеры, охватывая почти 180 градусов.
«Это показывает, что с помощью наших методов мы можем добиться идеального качества изображения практически для всего обзора на 180 градусов», — говорит Ху.
В другом исследовании команда спроектировала металинзу для работы в ближнем инфракрасном диапазоне с использованием нанопостов аморфного кремния в качестве метаатомов. Они подключили металинзу к моделированию, используемому для тестирования инструментов визуализации. Затем они загрузили в симуляцию сцену Парижа, состоящую из черно-белых изображений, сшитых вместе, чтобы создать панорамный вид. Затем они провели симуляцию, чтобы увидеть, какое изображение даст новый объектив.
«Ключевой вопрос заключался в том, покрывает ли объектив все поле зрения? И мы видим, что он захватывает все, что попадает в панораму», — говорит Ху. «Вы можете видеть здания и людей, и разрешение очень хорошее, независимо от того, смотрите ли вы в центр или по краям».
Команда уверена, что их устройство легко будет адаптировать для другой длины световой волны. Возможно, для этого оптические элементы придется сделать меньше, чем сейчас, чтобы лучше преломлять этот конкретный диапазон длин волн. Материал линзы также придется изменить. Но общая архитектура, разработанная командой, останется прежней.
Исследователи сейчас рассматривают варианты применения разработанного объектива. Они уверены, что он будет полезен в качестве датчиков глубины, установленных в смартфоны или ноутбуки.
«В настоящее время все 3D-датчики имеют ограниченное поле зрения, поэтому, когда вы убираете лицо от смартфона, он вас не узнает», — говорит Ху. «У нас есть новый 3D-датчик, который обеспечивает панорамное профилирование глубины, что может быть полезно для бытовых электронных устройств».
