科學(xué)家發(fā)明米粒大小的相機(jī)，成片可比傳統(tǒng)鏡頭

       本文來自愛范兒

　　    近日，普林斯頓大學(xué)和華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種米粒大小的微型相機(jī)，它能夠拍攝高清全彩照片，在醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。相關(guān)論文發(fā)表在 11 月 29 日的《自然通訊》。

　　    這種微型相機(jī)屬于神經(jīng)納米光學(xué)領(lǐng)域，在它不同尋常的外表下，是光學(xué)表面和計算處理兩種技術(shù)的創(chuàng)新聯(lián)合。

　　    ▲ 圖片來自：Princeton

　　    首先是光學(xué)表面。傳統(tǒng)相機(jī)使用的是弧形玻璃或塑料透鏡，而新的微型相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)依賴于‘超表面’（metasurface）成像技術(shù)，可以像計算機(jī)芯片一樣生產(chǎn)。

　　    微型相機(jī)只有半毫米寬的超表面上，鑲嵌著 160 萬個圓柱，它們的大小與人類免疫缺陷病毒（HIV）差不多。每個圓柱有著獨特的幾何形狀，其功能類似于‘光頻段電磁天線’。改變每個圓柱的設(shè)計，會影響整個光學(xué)波前的正確塑造。

　　    其次是計算成像方法。為了捕獲大視野 RGB 圖像，需要與算法一起設(shè)計和配置數(shù)百萬個圓柱的大小、形狀和位置。論文作者之一 Shane Colburn 創(chuàng)建了計算模擬器來自動測試不同設(shè)計和配置，他開發(fā)了一個有足夠精度的模型，近似超表面的圖像生成能力，從而實現(xiàn)所需的成像性能。

　　    這種微型相機(jī)的長處是可以創(chuàng)建清晰全彩圖像，而且是迄今為止開發(fā)的全彩色超表面相機(jī)之中質(zhì)量最高、視野最寬的。

　　    過去的微型相機(jī)，視野以及捕獲可見光全光譜的能力有限，圖像模糊又嚴(yán)重失真；新的微型相機(jī)能夠產(chǎn)出清晰全彩圖像，除了畫面邊緣有點模糊，基本與傳統(tǒng)折射復(fù)合鏡頭相當(dāng)，后者體積比它大了 50 萬倍。

　　    此外，據(jù)普林斯頓計算機(jī)科學(xué)助理教授 Felix Heide，與之前的超表面相機(jī)需要實驗室的純激光或其他理想條件才能產(chǎn)生高質(zhì)量圖像不同，新的微型相機(jī)在自然光條件下的性能也有提高。

　　    未來，微型相機(jī)很可能實現(xiàn)商業(yè)化。華盛頓大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系博士 Colburn 也參與了這項研究，他正在一家總部位于西雅圖的公司 Tunoptix 指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計，計劃將超表面成像技術(shù)商業(yè)化。

　    　與此同時，與 Colburn 同校同系的 James Whitehead 博士，制造了基于氮化硅的超表面，氮化硅是一種玻璃狀材料，與用于計算機(jī)芯片的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造方法兼容——這意味著與傳統(tǒng)相機(jī)中的鏡頭相比，給定的超表面設(shè)計可以以更低成本輕松批量生產(chǎn)。

　　    研究團(tuán)隊現(xiàn)在正在努力為相機(jī)本身增加更多的計算能力，除了優(yōu)化圖像質(zhì)量外，他們還希望增加物體檢測功能，并將其運用于醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)。

　　    舉例來說，微型相機(jī)在發(fā)現(xiàn)人體問題并為超小型機(jī)器人提供傳感方面具有巨大潛力，既可以用于微創(chuàng)內(nèi)窺鏡與醫(yī)療機(jī)器人，也可改善其他受尺寸和重量限制的機(jī)器人的成像。

　　    他們還設(shè)想創(chuàng)建‘作為傳感器的表面’，數(shù)千個‘米粒相機(jī)’的陣列可用于全場景傳感，將表面變成相機(jī)：

       我們可以將單個表面變成具有超高分辨率的攝像頭，因此您的手機(jī)背面不再需要三個攝像頭，整個手機(jī)背面將變成一個巨大的攝像頭。我們可以在未來想出完全不同的方式來制造設(shè)備。

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