城大研究生獲獎超構透鏡 提升海陸空成像應用

 

香港城市大學博士生成功在300多名參賽者中脫穎而出，獲十佳超材料研究生學術新人獎殊榮。

電機工程學系研究生劉小源研發出一系列新型超構元件，較傳統設計更輕巧靈活，適用於空中、陸地和水底的應用場景。

她於5月舉行的第二屆全國超材料大會上，匯報她可用作拍攝海陸空影像的超構透鏡研究。

超構透鏡是由人造納米天線陣列組成的先進光學設備，可廣泛配合新的應用需求。傳統的光學成像系統通常由一組用於校正球差或色差的透鏡組成，體積龐大。使用多於一部相機時，會有一組複雜的數據轉換來校準整個成像系統。超構透鏡輕巧、可定製，與傳統光學鏡頭相比，能更靈活地配合各種科技應用場景，特別是在空間有限和脆弱的環境中，如無人機、自動駕駛系統和微型潛艇。

在無人機航拍方面，劉小源設計的超構透鏡配有互補式金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器，這種更小型、輕巧的鏡頭，可以延長飛行時間，推動無人機攝影技術的發展。

小源說︰「以我們所知，這是首個應用於無人機的超構透鏡，能夠減低全機重量，延長飛行時間。航拍機的重量與飛行時間成反比，而飛行時間會影響航拍機的運作，因此減輕無人機成像和傳感設備的重量，是迫切需要解決的問題。」

小源及其團隊設計及製成圓周為2.6毫米、焦距為5.03毫米的獨立偏光氮化鎵（GaN）超構透鏡，通過調整納米天線的各種尺寸，可以改變相位和透射率的光學特性。該超構透鏡採用了相同厚度的鏡片，通過不同的相位編排，可得出所需的焦距。

由於單鏡頭成像獲得的光場信息是有限且特定的，因此團隊提出運用一種智能小巧的深度傳感超構元件，用於陸上自動駕駛。在深度學習的支援下，由3,600片消色差超構透鏡形成的陣列，綜合了光場成像和結構光成像功能，適用於不同光度的場景。

為了探索水底環境，小源和團隊專門設計和製造了一對GaN雙目超構透鏡，用於展示水下立體視覺和深度感知。她開發了適用於所有尺寸雙目視覺系統的廣義深度計算公式。在深度學習的支持下，該立體視覺系統可計算水下快速移動物體的深度和作實時圖像計算。

小源說︰「我們研發的雙目超構透鏡體積小巧，可在狹窄惡劣的水下環境使用。該系統由濾鏡、雙目超構透鏡及CMOS傳感器組成。透過拍攝管道和多種魚類影像，演算法可得出不同的影像數據。」

小源的研究由電機工程學系蔡定平教授及陳沐谷教授負責指導。