科学家发明米粒大小的相机，成片可比传统镜头

近日，普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员开发了一种米粒大小的微型相机，它能够拍摄高清全彩照片，在医疗等专业领域发挥重要作用。相关论文发表在 11 月 29 日的《自然通讯》。

这种微型相机属于神经纳米光学领域，在它不同寻常的外表下，是光学表面和计算处理两种技术的创新联合。

▲ 图片来自：Princeton

首先是光学表面。传统相机使用的是弧形玻璃或塑料透镜，而新的微型相机光学系统依赖于「超表面」（metasurface）成像技术，可以像计算机芯片一样生产。

微型相机只有半毫米宽的超表面上，镶嵌着 160 万个圆柱，它们的大小与人类免疫缺陷病毒（HIV）差不多。每个圆柱有着独特的几何形状，其功能类似于「光频段电磁天线」。改变每个圆柱的设计，会影响整个光学波前的正确塑造。

▲ 图片来自：Princeton

其次是计算成像方法。为了捕获大视野 RGB 图像，需要与算法一起设计和配置数百万个圆柱的大小、形状和位置。论文作者之一 Shane Colburn 创建了计算模拟器来自动测试不同设计和配置，他开发了一个有足够精度的模型，近似超表面的图像生成能力，从而实现所需的成像性能。

这种微型相机的长处是可以创建清晰全彩图像，而且是迄今为止开发的全彩色超表面相机之中质量最高、视野最宽的。

▲ 旧微型相机（左）与新微型相机（右）. 图片来自：Princeton

过去的微型相机，视野以及捕获可见光全光谱的能力有限，图像模糊又严重失真；新的微型相机能够产出清晰全彩图像，除了画面边缘有点模糊，基本与传统折射复合镜头相当，后者体积比它大了 50 万倍。

▲ 图片来自：Princeton

此外，据普林斯顿计算机科学助理教授 Felix Heide，与之前的超表面相机需要实验室的纯激光或其他理想条件才能产生高质量图像不同，新的微型相机在自然光条件下的性能也有提高。

▲ 传统镜头（左）与「米粒相机」（右）. 图片来自：Princeton

未来，微型相机很可能实现商业化。华盛顿大学电气与计算机工程系博士 Colburn 也参与了这项研究，他正在一家总部位于西雅图的公司 Tunoptix 指导系统设计，计划将超表面成像技术商业化。

与此同时，与 Colburn 同校同系的 James Whitehead 博士，制造了基于氮化硅的超表面，氮化硅是一种玻璃状材料，与用于计算机芯片的标准半导体制造方法兼容——这意味着与传统相机中的镜头相比，给定的超表面设计可以以更低成本轻松批量生产。

研究团队现在正在努力为相机本身增加更多的计算能力，除了优化图像质量外，他们还希望增加物体检测功能，并将其运用于医学和机器人技术。

▲ 图片来自：Princeton

举例来说，微型相机在发现人体问题并为超小型机器人提供传感方面具有巨大潜力，既可以用于微创内窥镜与医疗机器人，也可改善其他受尺寸和重量限制的机器人的成像。

他们还设想创建「作为传感器的表面」，数千个「米粒相机」的阵列可用于全场景传感，将表面变成相机：

我们可以将单个表面变成具有超高分辨率的摄像头，因此您的手机背面不再需要三个摄像头，整个手机背面将变成一个巨大的摄像头。我们可以在未来想出完全不同的方式来制造设备。

▲ 参考资料：

1.https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/29/researchers-shrink-camera-size-salt-grain#research

2.https://light.princeton.edu/publication/neural-nano-optics/

3.https://www.youtube.com/watch?v=6sAANU5TjS0