导 读
日前，南京大学固体微结构国家重点实验室祝世宁院士研究组与台湾中研院蔡定平教授研究组合作设计了一种基于超构透镜阵列的新型消色差光场成像系统。他们首次将宽带消色差超构表面与光场成像结合起来，解决了传统光场相机无法实现的可见光连续消色差问题。研究成果以“Acromatic metalens array for full-colour light-field imaging”为题，于2019年1月21日在线发表在《Nature Nanotechnology》上。
视觉是自然界最重要的感知系统，生物可以通过视觉系统捕捉处理环境中的光场信息。不同于人眼，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，可以设计出许多性能优良的光学视觉系统，例如集成成像和光场相机。不同于只记录强度信息的传统相机，光场相机通过捕获入射光的强度和方向来获得更为复杂和立体的光学信息。微透镜阵列是光场相机中用于捕捉四维光场信息的重要光学器件。然而，在微小尺度下加工复杂曲面和粘合不同色散微透镜具有极大难度，使用传统消色差方案来实现消色差微透镜阵列是一个非常有挑战性的问题。
研究人员基于氮化镓（GaN）纳米结构制备的消色差超构透镜（Nature Nanotechnology 18, 227–232（2018）），将其组成阵列，不但解决了消色差超构透镜无法同时实现大通光口径和大数值孔径的局限，更引入了基于超构透镜阵列的宽带连续消色差光场成像的新功能。
使用60×60的超构透镜阵列在可见光范围内（400nm-660nm）准确捕捉光场的强度和方向信息。基于消色差超构透镜的特点，感光探测器记录的原始光场图像不存在色差，结合数字图像处理后可以得到具有不同聚焦深度的消色差的清晰图像和空间视场中物体的深度反演，如图二和图三所示。理论上甚至可以得到具有无限景深的消色差光场图像。这种设计解决了传统光场相机无法实现的宽带连续消色差问题。由于阵列对每个超构透镜尺寸的要求相对较小，可以实现的数值孔径也能做的更大，从而得到较好的成像分辨率。图四中给出了对白光照明的分辨率板的成像，得到的分辨率较之前实现的单个消色差超构透镜更高。
基于可见光连续消色差超构透镜阵列的光场相机在机器人视觉，自动驾驶车辆以及虚拟和增强现实等等领域具有重要应用价值。
图1 基于超构透镜阵列的光场相机
(a) 具有超构透镜阵列和重聚焦图像的光场成像示意图。
(b) 超构透镜阵列的SEM图。
(c) 单个超构透镜的SEM图。
(d) GaN纳米柱结构的倾斜视图。
图二 基于超构透镜阵列的光场成像
(a) 超构透镜阵列的原始光场图。
(b) (c) 部分原始光场图。
(d) (e) (f) 重聚焦图像，焦距分别为48.1cm，52.8cm，65.3cm。
图三 结合地球，火箭和土星图像的深度估计
(a)-(c)聚焦在火箭上的重聚焦光场图像，焦距分别为50cm,54cm和66.5cm。
(d)-(f)对应于(a)-(c)的深度估计图像。
(g)-(I)火箭处于不同位置的全聚焦图像。
图四 分辨率板成像图
(a) 基于美军标UFAS-1951光学分辨率板的原始光场图像。
(b) 图a的重聚焦图像，虚线框代表最小分辨率为第八组第一单元。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41565-018-0347-0
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