多级衍射透镜实现无焦点聚焦，解决智能手机多摄像头的痛点

据麦姆斯咨询介绍，传统的摄像头通过对焦的方式来保证物体的细节清晰呈现，如果存在多个与摄像头距离不同的物体，则分别对每个物体进行对焦，因此需要多个透镜来完成。美国犹他大学开发了一种在平面材料上实现纳米结构的新型平面透镜，通过控制对光的聚焦方式，可对6米范围内多个物体同时对焦。对智能手机和移动设备来说，将不再依赖于复杂的对焦方式，因多个摄像头被调侃为“浴霸”的历史或画上句号！

这项研究由犹他大学完成，其团队负责人Rajesh Menon谈道：“我们的平面透镜可以大大减轻摄像头和其它成像系统的重量，降低其复杂性并减小成本，同时还能赋予其新的功能。这种光学技术有助于满足智能手机摄像头的需求，加以改进之后还可用于生物医学成像（如内窥镜检查）和汽车摄像头。”

该项目实现的平面透镜称为多级衍射透镜（MDL），通过在厚度为0.6mm的平面玻璃晶圆上涂布光刻胶完成环形图案，对写入光束进行调制，以达到控制表面结构高度和分布的目的。

研究小组发现，控制环形图案的高度分布可以有效地实现MDL聚焦效率最大化。在试验设计中，环形宽度在3um以内、最大高度为2.6um（涉及100种高度设计），用850nm的红外光照射MDL，可产生的焦距范围为5mm~1200mm。

在成像试验中，摄影头采用相同的组件，证明MDL能够对距离透镜200mm~6m的物体聚焦。

对景深较大的场景进行成像。距离为200mm~6m的物体处于焦点位置。图中注明了每个物体与MDL的距离。

新透镜可“增强景深（DOF）”，DOF与焦距、光学系统的数值孔径（NA）相关。数据表明新透镜将该参数增强了四个数量级，该团队还表示实际的增强效果远不止如此。这样的超景深（ExDOF）MDL会在许多不同的成像和视觉场景中具有应用价值。

（a）MDL工作的原理图，显示了ExDOF成像。（b）MDL的几何结构，焦距为5mm~1200mm，孔径为1.8mm。（c）图和（d）图分别是焦距为5mm~1200mm的MDL在y-z平面的强度分布模拟图和测量结果。工作波长为850nm。

Menon说：“新透镜无需对焦，各类摄像头可利用其对所有物体同时进行对焦。传统的摄像头使用多个透镜才能对不同颜色的光进行聚焦。我们的设计具有通用性，只需一片平面透镜就能对不同颜色的光实现聚焦，从而大大简化了摄像头设计。”

如今，相同的设计方法可以设计出具有大带宽和大景深的全新平面光学器件，并且该项目计划研究如何实现极高带宽和更低成本的光学元件。

用红外光和相对较低的数值孔径演示透镜性能后，研究人员计划推广到全可见光谱范围内使用。此外，还将致力于该透镜的量产化并评估商业化的可能性。

新透镜的应用不局限于摄影，例如为自动驾驶汽车的关键技术——激光雷达提供高效照明。

Menon讲到：“与教科书形成鲜明对比的是，我们的研究表明光传输受理想透镜影响的方式不止一种，这就是所谓的光瞳函数。”

“这为透镜光瞳函数提供了无限的可能性，我们在这些可能性中寻找了一种能够实现最大景深的方法。放弃传统观念，变不可能为可能，我们的研究成果就是很好的例子。不盲目相信过去的结论，保持质疑并持续探索！”

该项工作的成果发表在Optica，论文链接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-3-214

延伸阅读：
《3D成像和传感-2020版》
《激光雷达技术及核心元器件-2019版》
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《激光雷达（LiDAR）技术及市场趋势-2019版》