渥太華大學研究革命級光學技術「Spaceplate」將可讓相機不再用傳統鏡頭-攝影札記 Photoblog

相機和現代數碼器存在的最大衝突，莫過於無法解決體積的物理限制。盡管光學研究已持續400年，光學技術不斷改進，但光學設計的根本原則沒有太大改變，就就是通過大大小小及不同曲面的鏡片，去改變光軸去控制焦距及對焦點。為了突破這發展瓶頸，加拿大渥太華大學開始研究另一個發展方向—由鏡片的空間入手。

最即簡單的概念圖解，使用 metalens 可以令影像不再依賴傳統頭體積龐大的鏡頭

傳統的鏡頭設計主要將多組鏡片排列，以調整光軸去改良畫質，但鏡片的數量及鏡片之間的空間，是令到鏡頭體積無法壓縮的關鍵因素。而渥太華大學的研究員希望通過減縮鏡片之間所需空間的概念，去發明名為「空間碟片 (Spaceplate)」的光學鏡片。該項研究指出，光線在傳導過程中的路徑，通常都比鏡片本身的厚道更長，如使用空間碟片的話，有機會令超薄相機的出現變成可能，與此同時也幫助一些大型器材進一步微縮化的目的，例如太陽光聚焦器﹑光源准焦器﹑內嵌式光學元件以及光譜議等。

簡單點說，空間碟片技術是誘導光線在橫面上走一條較遠的路，即是利用折射原理。根據自然雜誌的訪問，空間碟片其實內部由多層物料堆疊而成，並只使用兩種物料。在開發過程中，空間碟片的類型由最少 25 層至超過 1000 層不等，不同的層數會產生不同的壓縮率。留意圖中左上的(a)部份，上半展示為傳統鏡片的效果，下半則是使用空間碟片，光線進入的路徑經過壓縮後，最終縱向的路經比傳統鏡片縮短了，從而令鏡頭的體積可以縮得更細。

有份參與研究的 Dr. Lundeen 在訪問中解釋，鏡片對應光線的動作，主要是改變其位置，而新的研究則是改變其角度，這是一個全新的領域，過往未有人研究如何改變光線角度能帶來實際用途。空間碟片就是希望將散開的光線壓縮在更小的空間內進行傳送，空間減縮後能令器材體積大幅降低。而空間碟前端可配置超透鏡(metalens)一起使用，作為調整焦距或聚焦之用。

所謂超透鏡，其實是一種新興起的光學設計概念。傳統光學鏡片通常是以多片不同類似的凹凸透鏡去調整光軸折射，鏡與鏡之間的空間令到鏡頭最終體積變得非常巨大。而超透鏡則是納米級的鏡陣，光線進入鏡陣時會被改變方向，也同樣可產生傳統鏡片的屈光效果，而超透鏡可被排成片狀，按需加減每層鏡片數量去控制焦段，達到極有限的空間也有傳統鏡頭的功能。目前研究員致力開發各種設計可能性，特別是改善壓縮率，在他們的研究當中壓縮率變可以由5倍至100倍不等，還有尋找增加光量傳送率的物質，以改善影像質素。