Nature：鹽粒大小的相機，可以拍出清晰彩色照片，未來或可應用到手機
大數(shù)據(jù)文摘出品
你能想象上圖只有鹽粒大小的物體是一款相機嗎？
事實上，這款微型相機甚至可以拍出清晰的全彩圖像，而相比之下，普通相機的尺寸要大50萬倍。
我們可以來看看它的成片。
這款微型相機是普林斯頓大學和華盛頓大學的研究人員合作創(chuàng)造的一種新型的光學系統(tǒng)，這個系統(tǒng)依賴于一種叫做Metasurface的技術(shù)。
簡單來說，研究人員先將相機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，使相機能夠在自然光線下產(chǎn)生清晰的圖像，而以往微型相機只能在完美的實驗室環(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
每個鏡片鑲嵌著160萬根圓柱，可以像電腦芯片一樣生產(chǎn)
這個系統(tǒng)依賴于一種叫做Metasurface的技術(shù)，每個微型鏡片鑲嵌著160萬根圓柱型立柱，每根柱子的大小大約相當于病毒大小。
每個柱子都有獨特的幾何形狀，其功能就像光學天線。 為了正確地塑造整個光波前的形狀，必須改變每個柱體的設(shè)計。
在基于機器學習的算法的幫助下，柱子與光線完美交互結(jié)合，為全彩Metasurface相機產(chǎn)生了最高質(zhì)量的圖像和最寬的視野。
相機創(chuàng)造的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是光學表面和產(chǎn)生圖像的信號處理算法的集成設(shè)計。 該研究的資深作者、普林斯頓大學計算機科學助理教授Felix Heide說，這提高了相機在自然光條件下的性能，而以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(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。
左：2018年SOTA微型相機；右：本文介紹的應用Neural Nano-optics的微型相機
研究人員將他們的系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像與之前的Metasurface相機的結(jié)果進行了比較，以及使用一系列六個折射鏡頭的傳統(tǒng)復合光學系統(tǒng)捕捉到的圖像。
其他超緊湊型超表面透鏡的圖像畸變嚴重，視野小，捕捉全光譜可見光的能力有限——被稱為RGB成像，因為它結(jié)合了紅、綠、藍來產(chǎn)生不同的色調(diào)。
“設(shè)計和配置這些小的納米結(jié)構(gòu)來做你想做的事，這是一個挑戰(zhàn)，”普林斯頓大學計算機科學博士生Ethan Tseng說，他是這項研究的共同領(lǐng)導者。 “對于這種捕捉大視場RGB圖像的特定任務(wù)，之前并不清楚如何將數(shù)百萬個納米結(jié)構(gòu)與后處理算法一起共同設(shè)計。”
據(jù)介紹，這款Metasurface相機可以像電腦芯片一樣批量生產(chǎn)。
未來可以實現(xiàn)醫(yī)療機器人的微創(chuàng)內(nèi)鏡診斷和治療疾病
通過對攝像機硬件和計算處理的聯(lián)合設(shè)計，Metasurface系統(tǒng)可以幫助醫(yī)療機器人進行微創(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器人的成像。
成千上萬的這樣的攝像機陣列還可以用于全景感應，將Metasurface變成攝像機。
Colburn在華盛頓大學電子與計算機工程系（UW ECE）攻讀博士時進行了這項研究，他現(xiàn)在是該學院的助理教授。他還在西雅圖的Tunoptix公司指導系統(tǒng)設(shè)計，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Arka Majumdar共同創(chuàng)立的，他是華盛頓大學歐洲經(jīng)委會和物理系的副教授，也是這項研究的共同作者。
該研究的共同作者James Whitehead是威斯康星大學歐洲經(jīng)濟學院的博士生，他利用氮化硅(一種類似玻璃的材料，與用于計算機芯片的標準半導體制造方法兼容)制造了Metasurface，這意味著Metasurface可以很容易地以比傳統(tǒng)相機鏡頭以更低的成本進行批量生產(chǎn)。
Heide還設(shè)想將Metasurface應用到手機上。
“我們可以將單個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背后安裝三個攝像頭，但你的整個手機背面將成為一個巨大的攝像頭?！?nbsp;
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