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为了拍摄一张全景照片，摄影师通常会使用鱼眼镜头——由多个曲面玻璃制成的超广角镜头，这些镜头会扭曲入射光线，从而产生圆气泡般的图像。它们的球面、多片设计使鱼眼镜头笨重，且生产成本昂贵。通常情况下，超广角鱼眼镜头都是厚实的球状装置，不容易被整合到智能手机等设备中。不过，这种情况很可能被改变。
日前，美国麻省理工学院和马萨诸塞州洛厄尔大学的工程师共同发明了一款完全扁平的广角镜头。这是第一个能够产生180度全景影像的扁平鱼眼镜头，由一种被称为“超透镜”的极薄材料所组成，具有显微特征并以特定的方式操纵光线。
实际上，超透镜是由超级材料组成的薄层超表面制成，是一种二维平面透镜结构，其体积极小、重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，具有强大的光场操控能力。在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要的作用。
传统鱼眼镜头是一种焦距为16mm或更短的并且视角接近或等于180°的镜头，属于超广角镜头中的一种特殊镜头，它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围。在这项技术中，新型鱼眼镜头由一个单独、扁平的毫米厚玻璃片所组成，其中一面有微小的结构，能够准确散射入射光线，从而产生全景图像。这也是一个传统弧形、多元件的鱼眼镜头所能完成的作用。这种镜头需要在光谱的红外光线下使用，不过研究人员表示也可以做出修改，使用可视光捕捉图像。
这项新设计可能适用于一系列的应用，比如这种超薄超广角镜头可以直接内置在智能手机和平板电脑中，而不需要作为笨重的附加组件物理连接在这些设备中。研究人员表示，这些镜头可以组合应用到医学影像设备中，比如内窥镜，还可以应用到VR眼镜、可穿戴电子设备以及其他计算机视觉设备中。
实际上，这项设计来自于一次意外的发现，因为有些人认为用超广视角无法制造出超透镜。麻省理工材料科学与工程学院的副教授Juejun Hu表示：“事实上，超广角能够实现鱼眼图像，这完全超出我们的预期。”这不仅仅是光线弯曲，而是思想上的弯曲。
Hu教授和他的同事们最近将这项研究成果发布在了最新一期的《纳米通讯》中。实际上，扁平超投机的设计大部分还处于试验阶段，但很可能会重塑光学领域。此前，科学家已经设计出高分辨率和60度相对广角的影像。进一步扩大视角，传统上需要其他额外的光学元件去校正像差和模糊强度，其中一种方法是给超透镜添加附件。
于是，Juejun Hu教授和同事们提出了一种简单的设计方案，不需要额外的组件，也不用保持最小元件数量。他们的新型超透镜是一个由氟化钙制成的单层透明镜片，在其中一面覆盖了一层碲化铅。每个结构或元“原子”被科学家们塑造成为一种纳米级的几何图形，比如矩形或骨状构型，这些结构能够以一种特定的方式折射光线。当光线通过光圈（如相机的虹膜）并进入镜头时，它穿过玻璃并进入碲化铅薄膜，然后以不同角度通过元原子分散。其结果是单一的清晰图像，视野为180度。
在常规的鱼眼镜头中，玻璃的曲率自然会产生相位延迟分布并最终产生一个全景图像。研究人员可以制定元原子的工作模式，并将这种模式应用在扁平玻璃的背面，这样设计的背面结构，就能使每个部分都能够产生完美聚焦。
此外，研究人员在正面装上了一个光学孔径或者称为光开口。当光从开口处进入，就会在玻璃的首个表面上发生折射，之后再有角度地进行散射。接下来，光会从不同而连续的角度碰到背面的不同部分。只要恰当地设计背面结构，您就可以保证在一整个全景视角下完成一个高质量的成像。
在演示实验中跨越整个全景，新镜头被调整到光谱的中红外波段进行操作。研究人员使用了装有超透镜的成像装置去抓拍带有条纹的目标，然后他们会对比整个场景下的不同角度拍出的照片质量，结果发现新镜头拍出的条纹图像非常清晰，即使是在相机视线的边缘，横跨将近180度，仍然保持了清晰的效果。
结果显示使用研究人员的设计，能够在180度的全景中完成完美的影像呈现。在其他的研究中，团队设计将无定形硅纳米柱作为元原子，将超透镜放在近红外波长下进行操作用。他们将超透镜接入模拟系统中测试成像仪器。接下来，他们将模拟场景设计成巴黎的景色，画面由黑白影像连接组成一幅全景画面。然后，他们运行模拟系统观察新型镜头能够产生哪类影像。
其中关键的问题在于这个镜头能否覆盖全景范围？Hu教授表示：“我们看到它能抓住全景内的所有图像，无论你看着画面的中心还是边缘，你都能够看到建筑和人，而且分辨率非常高。”
研究团队表示，新型镜头还能够适应其他的光线波长。比如为可视光制造一个类似的扁平鱼眼镜头，设置的光学特性可能要比现在的更小，便于更好地在波长的特殊范围内折射。同时，镜头的材料也需要调整，但研究人员设计的总体架构需要保持一致。目前，研究人员正在探索新型鱼眼镜头的应用范围，不仅仅作为简洁的鱼眼相机，还可以用作全景投影仪，就像直接安装在智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备中的深度传感器。
当前，所有3D传感器的可视范围都较为有限，这也是为什么当你把脸从手机屏幕前移开时，它就无法识别你。我们所研究的新型镜头是一种全新的3D传感器，它能够完成全景深度分析，非常适用于我们的电子设备。