Nature：鹽粒大小的相機(jī)，可以拍出清晰彩色照片，未來(lái)或可應(yīng)用到手機(jī)

你能想象上圖只有鹽粒大小的物體是一款相機(jī)嗎？

事實(shí)上，這款微型相機(jī)甚至可以拍出清晰的全彩圖像，而相比之下，普通相機(jī)的尺寸要大50萬(wàn)倍。

我們可以來(lái)看看它的成片。

這款微型相機(jī)是普林斯頓大學(xué)和華盛頓大學(xué)的研究人員合作創(chuàng)造的一種新型的光學(xué)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)依賴于一種叫做Metasurface的技術(shù)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，研究人員先將相機(jī)的硬件縮小到合適的尺寸，并將其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像處理技術(shù)相結(jié)合，使相機(jī)能夠在自然光線下產(chǎn)生清晰的圖像，而以往微型相機(jī)只能在完美的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下拍攝出有效的圖像。

該研究也發(fā)表在Nature通訊上。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26443-0?utm_medium=affiliate&utm_source=commission_junction&utm_campaign=3_nsn6445_deeplink_PID100094349&utm_content=deeplink

每個(gè)鏡片鑲嵌著160萬(wàn)根圓柱，可以像電腦芯片一樣生產(chǎn)

這個(gè)系統(tǒng)依賴于一種叫做Metasurface的技術(shù)，每個(gè)微型鏡片鑲嵌著160萬(wàn)根圓柱型立柱，每根柱子的大小大約相當(dāng)于病毒大小。

每個(gè)柱子都有獨(dú)特的幾何形狀，其功能就像光學(xué)天線。 為了正確地塑造整個(gè)光波前的形狀，必須改變每個(gè)柱體的設(shè)計(jì)。

在基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法的幫助下，柱子與光線完美交互結(jié)合，為全彩Metasurface相機(jī)產(chǎn)生了最高質(zhì)量的圖像和最寬的視野。

相機(jī)創(chuàng)造的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是光學(xué)表面和產(chǎn)生圖像的信號(hào)處理算法的集成設(shè)計(jì)。 該研究的資深作者、普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Felix Heide說(shuō)，這提高了相機(jī)在自然光條件下的性能，而以前的超表面相機(jī)需要實(shí)驗(yàn)室的純激光或其他理想條件才能產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。

左：2018年SOTA微型相機(jī)；右：本文介紹的應(yīng)用Neural Nano-optics的微型相機(jī)

研究人員將他們的系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像與之前的Metasurface相機(jī)的結(jié)果進(jìn)行了比較，以及使用一系列六個(gè)折射鏡頭的傳統(tǒng)復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)捕捉到的圖像。

其他超緊湊型超表面透鏡的圖像畸變嚴(yán)重，視野小，捕捉全光譜可見(jiàn)光的能力有限——被稱為RGB成像，因?yàn)樗Y(jié)合了紅、綠、藍(lán)來(lái)產(chǎn)生不同的色調(diào)。 

“設(shè)計(jì)和配置這些小的納米結(jié)構(gòu)來(lái)做你想做的事，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，”普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生Ethan Tseng說(shuō)，他是這項(xiàng)研究的共同領(lǐng)導(dǎo)者。 “對(duì)于這種捕捉大視場(chǎng)RGB圖像的特定任務(wù)，之前并不清楚如何將數(shù)百萬(wàn)個(gè)納米結(jié)構(gòu)與后處理算法一起共同設(shè)計(jì)?！?nbsp; 

據(jù)介紹，這款Metasurface相機(jī)可以像電腦芯片一樣批量生產(chǎn)。

未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)器人的微創(chuàng)內(nèi)鏡診斷和治療疾病

通過(guò)對(duì)攝像機(jī)硬件和計(jì)算處理的聯(lián)合設(shè)計(jì)，Metasurface系統(tǒng)可以幫助醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行微創(chuàng)內(nèi)窺鏡診斷和治療疾病，并改善其他受體積和重量限制的機(jī)器人的成像。

成千上萬(wàn)的這樣的攝像機(jī)陣列還可以用于全景感應(yīng)，將Metasurface變成攝像機(jī)。

Colburn在華盛頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系（UW ECE）攻讀博士時(shí)進(jìn)行了這項(xiàng)研究，他現(xiàn)在是該學(xué)院的助理教授。他還在西雅圖的Tunoptix公司指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該公司正在將這種Metasurface成像技術(shù)商業(yè)化。

Tunoptix是由科爾本的研究生顧問(wèn)Arka Majumdar共同創(chuàng)立的，他是華盛頓大學(xué)歐洲經(jīng)委會(huì)和物理系的副教授，也是這項(xiàng)研究的共同作者。 

該研究的共同作者James Whitehead是威斯康星大學(xué)歐洲經(jīng)濟(jì)學(xué)院的博士生，他利用氮化硅(一種類(lèi)似玻璃的材料，與用于計(jì)算機(jī)芯片的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造方法兼容)制造了Metasurface，這意味著Metasurface可以很容易地以比傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭以更低的成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。

Heide還設(shè)想將Metasurface應(yīng)用到手機(jī)上。

 “我們可以將單個(gè)Metasurface變成超高分辨率的攝像頭，這樣你就不再需要在你的手機(jī)背后安裝三個(gè)攝像頭，但你的整個(gè)手機(jī)背面將成為一個(gè)巨大的攝像頭。”