告别您的相机凹凸：通过新的镜头对应的微型光学元件

空间板的工作原理。 a, 一个空间板可以将传播长度deff压缩成厚度d。 例如，以角度 θ 入射到间隔板上的光束将以相同的角度出现并横向平移长度 w（导致横向光束偏移 Δx），就像自由空间的 deff 一样。 b、在标准相机（顶部）等成像系统中添加隔板会缩短相机（中）。 超薄单片成像系统可以通过将超透镜和空间板直接集成在传感器上（底部）来形成。 图片来源：Orad Reshef 和 Jeff Lundeen

你能想象有一天会使用像一张纸一样薄的望远镜，或者更小更轻的高性能相机吗？ 或者你的智能手机后面不再有那个摄像头？

在 Nature Communications 上发表的一篇论文中，渥太华大学的研究人员提出了一种新的光学元件，可以通过显着缩小光学设备将这些想法变为现实，从而可能影响我们生活中的许多应用。

为了了解有关该项目的更多信息，我们与主要作者、罗伯特博伊德集团的高级博士后研究员 Orad Reshef 博士和研究负责人、加拿大量子光子学研究主席、该系副教授 Jeff Lundeen 博士进行了交谈 渥太华大学物理学博士，伦登实验室负责人。

你能描述一下你的团队开发的新光学元件，太空板吗？

Orad Reshef：光在传播时自然会“传播”，我们所知道的每一个光学设备都依赖于这种传播； 如果没有它，我们将不知道如何设计相机。 例如，在每台望远镜中，目镜和物镜之间都有很大的间隙，以便为光线提供传播空间。

空间板模拟了光在小型设备中传播很远距离所经历的相同传播。 光看，一个空间板看起来比它占据的空间更多。在某种程度上，隔板是镜头的对应物，可以做镜头无法做到的事情来缩小整个成像系统。

我们在论文中引入了空间板的概念，通过实验证明了它并表明它与我们用来看到的可见光谱中的宽带光兼容。

Jeff Lundeen：我们考虑过如果你根据角度而不是光线的位置来操纵光线会发生什么。 透镜通过光线的位置起作用。 角度是一个全新的领域，没有人表明它可以用来制作特别有用的东西。 我们确定了一个有用的应用程序，压缩空间。 然后我们证明了我们实际上可以设计和实验证明完全可以做到这一点的板。

Orad Reshef：这很令人兴奋，因为这个设备可以让我们缩小各种我们认为不可能在光学中小型化的非常大的设备。 为了设计它，我们需要提出一套与镜头设计中使用的规则不兼容的新规则。 没有人知道它们是什么，就像狂野的西部。

你是怎么想出这个主意的？

Jeff Lundeen：Orad Reshef 是使用纳米技术根据光线的位置（例如超透镜或更一般的超表面）操纵光线的专家。我们漫不经心地讨论了用这些元表面操纵光的局限性，我说根据角度操纵光会很酷。

Reshef 博士立即确信他可以设计和制造可以做到这一点的东西，我随后得出结论，最简单的目标是替换传播（即传播）所需的空间。

在接下来的几个月里，在与 Boyd 博士和 Reshef 博士的讨论中，我们慢慢意识到这样一个设备会有多么惊人和有用。 Reshef 博士和我都提出了可行且完全不同的设计，这表明有很多方法可以创建这样的设备。 我们在论文中研究了三个，但还有更多。

如何使用这项技术？ 太空舱在我们日常生活中有哪些应用？

Orad Reshef：空间板可用于使许多光学系统小型化，无论是显示器还是传感器。 例如，先进的太空板可以实现纸一样薄的望远镜或照相机； 它可用于去除智能手机背面的摄像头凸起。

Jeff Lundeen：人们拖着带有巨大长焦镜头的大型相机。 如果我们能够充分提高隔板的性能，我设想有可能制造出性能更好、更小、更轻的相机。 特别是，与超透镜相结合的隔板将使我们能够将 iPhone Max 的整个后表面制成一个扁平而薄的相机。 与那些大而重的相机相比，它的分辨率和低光性能将提高 14 倍。

薄型和小型相机可用于各种应用，包括医疗保健，其中相机药丸或内窥镜可以查看动脉或消化系统内部。

什么是下一步？

Orad Reshef：我们正在努力开发下一代这项技术。 我们想尝试增加压缩因子并提高整体性能。 我们已经有一些设计可以将压缩系数从 5 倍增加到 100 倍以上，并增加总传输量。 为了继续这样做，我们需要提出一个全新的设计范式。

有什么最后的想法吗？

Orad Reshef：令人惊讶的是，像镜头这样的光学元件已经存在了一千年，它们的设计规则已经被很好地理解了400 多年，但我们仍在发现这种用于成像的基本新光学元件。