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基于探索超光譜成像和圖像分類等元光學(xué)應(yīng)用

IEEE電氣電子工程師 ? 來源:IEEE電氣電子工程師 ? 2023-06-15 17:21 ? 次閱讀

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn),利用使“隱形斗篷”成為可能的光扭曲物理現(xiàn)象,科學(xué)家們開發(fā)了一種小型、輕便的相機(jī),可以拍攝體積是其100多倍的商用數(shù)碼相機(jī)一樣好或更好的照片,有可能用于智能手機(jī)和其他便攜式設(shè)備。

現(xiàn)代相機(jī)通常有多個鏡頭,這有助于它們捕捉高質(zhì)量的圖像,但也使相機(jī)變得又大又重。這種體積使得高端相機(jī)無法輕易集成到智能手機(jī)無人機(jī)視頻設(shè)備等移動設(shè)備中。

為了使相機(jī)小型化,科學(xué)家們越來越多地探索由超結(jié)構(gòu)材料制成的平面光學(xué)器件,其結(jié)構(gòu)包含的重復(fù)圖案的尺度小于設(shè)計(jì)用于操縱的結(jié)構(gòu)的特征波長。光學(xué)超結(jié)構(gòu)是為了操縱電磁輻射而制造的,它可以以意想不到的方式彎曲光線,從而產(chǎn)生納米級的隱形斗篷和其他設(shè)備。

另一種幫助相機(jī)小型化的策略是計(jì)算成像,它使用軟件來糾正光學(xué)組件的任何缺點(diǎn)。先前的研究表明,將超材料制成的光學(xué)器件(也稱為超光學(xué)器件)與計(jì)算成像相結(jié)合,可能會使用微米厚的光學(xué)器件獲得高質(zhì)量的圖像。

在設(shè)計(jì)元光學(xué)時,一個主要問題是研究人員在計(jì)算建模光與所有光學(xué)組件之間的復(fù)雜相互作用時面臨的非凡困難。芬蘭坦佩雷大學(xué)的研究合著者Karen Egiazarian表示,這意味著,盡管超光學(xué)理論上有很大的潛力,但科學(xué)家最終制造的超光學(xué)材料往往比傳統(tǒng)光學(xué)方法提供的圖像質(zhì)量差得多。

在這項(xiàng)新的研究中,研究人員探索了一種“硬件在環(huán)”策略,在該策略中,他們使用實(shí)際的透鏡和傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而不是對這些組件的行為進(jìn)行計(jì)算建模。研究人員指出,這有助于將開發(fā)元光學(xué)的處理需求大幅減少至少一百倍,將內(nèi)存需求大幅減少了至少十倍。

由此產(chǎn)生的混合超光學(xué)器件由4.5毫米厚的標(biāo)準(zhǔn)折射透鏡組成,該透鏡覆蓋有500μm厚的石英超光學(xué)薄膜,該薄膜覆蓋在700納米高的方形氮化硅柱中。在實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)家們使用混合元光學(xué)和計(jì)算成像技術(shù)拍攝了0.5至1.8米外的圖像照片。

研究人員表示,這種新的單鏡頭設(shè)備拍攝的全彩照片的質(zhì)量與索尼SEL85F18復(fù)合鏡頭的商用索尼Alpha 1 III微單相機(jī)拍攝的照片一樣好或更好。

“與最先進(jìn)的方法相比,這種硬件在環(huán)方法能夠產(chǎn)生更好的光學(xué)效果,”該研究的合著者、坦佩雷大學(xué)的Vladimir Katkovnik說。

與此同時,新設(shè)備的體積還不到索尼系統(tǒng)體積的1%。

“我認(rèn)為目前最有影響力的應(yīng)用是為智能手機(jī)設(shè)計(jì)新一代定制相機(jī),”該研究的主要作者Samuel Pinilla在英國哈韋爾科技設(shè)施委員會表示。“我們也對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用感興趣。”Egiazarian說,未來的研究還可以探索超光譜成像和圖像分類等元光學(xué)應(yīng)用。

新裝置的混合元光學(xué)器件只有5毫米寬。研究人員建議,未來他們可以開發(fā)更廣泛的元光學(xué)系統(tǒng),收集更多的光以獲得更高的圖像質(zhì)量。然而,坦佩雷的研究合著者Igor Shevkunov表示,制造這種光學(xué)器件“仍然是一個發(fā)展中的領(lǐng)域,需要在這里取得更多突破才能成功實(shí)現(xiàn)給定的設(shè)計(jì)”。
責(zé)任編輯:彭菁

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原文標(biāo)題:微小超材料鏡頭捕捉高級照片 替代笨重的傳統(tǒng)光學(xué)

文章出處:【微信號:IEEE_China,微信公眾號:IEEE電氣電子工程師】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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