科學家發明米粒大小的相機，成片可比傳統鏡頭
近日，普林斯頓大學和華盛頓大學的研究人員開發了一種米粒大小的微型相機，它能夠拍攝高清全綵照片，在醫療等專業領域發揮重要作用。相關論文發表在 11 月 29 日的《自然通訊》。
這種微型相機屬於神經納米光學領域，在它不同尋常的外表下，是光學表面和計算處理兩種技術的創新聯合。
▲ 圖片來自：Princeton
首先是光學表面。傳統相機使用的是弧形玻璃或塑料透鏡，而新的微型相機光學系統依賴於「超表面」（metasurface）成像技術，可以像計算機芯片一樣生產。
微型相機只有半毫米寬的超表面上，鑲嵌着 160 萬個圓柱，它們的大小與人類免疫缺陷病毒（HIV）差不多。每個圓柱有着獨特的幾何形狀，其功能類似於「光頻段電磁天線」。改變每個圓柱的設計，會影響整個光學波前的正確塑造。
▲ 圖片來自：Princeton
其次是計算成像方法。為了捕獲大視野 RGB 圖像，需要與算法一起設計和配置數百萬個圓柱的大小、形狀和位置。論文作者之一 Shane Colburn 創建了計算模擬器來自動測試不同設計和配置，他開發了一個有足夠精度的模型，近似超表面的圖像生成能力，從而實現所需的成像性能。
這種微型相機的長處是可以創建清晰全綵圖像，而且是迄今為止開發的全綵色超表面相機之中質量最高、視野最寬的。
▲ 舊微型相機（左）與新微型相機（右）. 圖片來自：Princeton
過去的微型相機，視野以及捕獲可見光全光譜的能力有限，圖像模糊又嚴重失真；新的微型相機能夠產出清晰全綵圖像，除了畫面邊緣有點模糊，基本與傳統折射複合鏡頭相當，後者體積比它大了 50 萬倍。
▲ 圖片來自：Princeton
此外，據普林斯頓計算機科學助理教授 Felix Heide，與之前的超表面相機需要實驗室的純激光或其他理想條件才能產生高質量圖像不同，新的微型相機在自然光條件下的性能也有提高。
▲ 傳統鏡頭（左）與「米粒相機」（右）. 圖片來自：Princeton
未來，微型相機很可能實現商業化。華盛頓大學電氣與計算機工程系博士 Colburn 也參與了這項研究，他正在一家總部位於西雅圖的公司 Tunoptix 指導系統設計，計劃將超表面成像技術商業化。
與此同時，與 Colburn 同校同系的 James Whitehead 博士，製造了基於氮化硅的超表面，氮化硅是一種玻璃狀材料，與用於計算機芯片的標準半導體制造方法兼容——這意味着與傳統相機中的鏡頭相比，給定的超表面設計可以以更低成本輕鬆批量生產。
研究團隊現在正在努力為相機本身增加更多的計算能力，除了優化圖像質量外，他們還希望增加物體檢測功能，並將其運用於醫學和機器人技術。
▲ 圖片來自：Princeton
舉例來説，微型相機在發現人體問題併為超小型機器人提供傳感方面具有巨大潛力，既可以用於微創內窺鏡與醫療機器人，也可改善其他受尺寸和重量限制的機器人的成像。
他們還設想創建「作為傳感器的表面」，數千個「米粒相機」的陣列可用於全場景傳感，將表面變成相機：
▲ 參考資料：
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
資料來源：愛範兒（ifanr）
這種微型相機屬於神經納米光學領域，在它不同尋常的外表下，是光學表面和計算處理兩種技術的創新聯合。
▲ 圖片來自：Princeton
首先是光學表面。傳統相機使用的是弧形玻璃或塑料透鏡，而新的微型相機光學系統依賴於「超表面」（metasurface）成像技術，可以像計算機芯片一樣生產。
微型相機只有半毫米寬的超表面上，鑲嵌着 160 萬個圓柱，它們的大小與人類免疫缺陷病毒（HIV）差不多。每個圓柱有着獨特的幾何形狀，其功能類似於「光頻段電磁天線」。改變每個圓柱的設計，會影響整個光學波前的正確塑造。
▲ 圖片來自：Princeton
其次是計算成像方法。為了捕獲大視野 RGB 圖像，需要與算法一起設計和配置數百萬個圓柱的大小、形狀和位置。論文作者之一 Shane Colburn 創建了計算模擬器來自動測試不同設計和配置，他開發了一個有足夠精度的模型，近似超表面的圖像生成能力，從而實現所需的成像性能。
這種微型相機的長處是可以創建清晰全綵圖像，而且是迄今為止開發的全綵色超表面相機之中質量最高、視野最寬的。
▲ 舊微型相機（左）與新微型相機（右）. 圖片來自：Princeton
過去的微型相機，視野以及捕獲可見光全光譜的能力有限，圖像模糊又嚴重失真；新的微型相機能夠產出清晰全綵圖像，除了畫面邊緣有點模糊，基本與傳統折射複合鏡頭相當，後者體積比它大了 50 萬倍。
▲ 圖片來自：Princeton
此外，據普林斯頓計算機科學助理教授 Felix Heide，與之前的超表面相機需要實驗室的純激光或其他理想條件才能產生高質量圖像不同，新的微型相機在自然光條件下的性能也有提高。
▲ 傳統鏡頭（左）與「米粒相機」（右）. 圖片來自：Princeton
未來，微型相機很可能實現商業化。華盛頓大學電氣與計算機工程系博士 Colburn 也參與了這項研究，他正在一家總部位於西雅圖的公司 Tunoptix 指導系統設計，計劃將超表面成像技術商業化。
與此同時，與 Colburn 同校同系的 James Whitehead 博士，製造了基於氮化硅的超表面，氮化硅是一種玻璃狀材料，與用於計算機芯片的標準半導體制造方法兼容——這意味着與傳統相機中的鏡頭相比，給定的超表面設計可以以更低成本輕鬆批量生產。
研究團隊現在正在努力為相機本身增加更多的計算能力，除了優化圖像質量外，他們還希望增加物體檢測功能，並將其運用於醫學和機器人技術。
▲ 圖片來自：Princeton
舉例來説，微型相機在發現人體問題併為超小型機器人提供傳感方面具有巨大潛力，既可以用於微創內窺鏡與醫療機器人，也可改善其他受尺寸和重量限制的機器人的成像。
他們還設想創建「作為傳感器的表面」，數千個「米粒相機」的陣列可用於全場景傳感，將表面變成相機：
引用我們可以將單個表面變成具有超高分辨率的攝像頭，因此您的手機背面不再需要三個攝像頭，整個手機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製造設備。
▲ 參考資料：
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
資料來源：愛範兒（ifanr）