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

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造的一種新型的光學系統，這個系統依賴于一種叫做Metasurface的技術。

簡單來說，研究人員先將相機的硬件縮小到合適的尺寸，并將其與神經網絡圖像處理技術相結合，使相機能夠在自然光線下產生清晰的圖像，而以往微型相機只能在完美的實驗室環境下拍攝出有效的圖像。

該研究也發表在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

這個系統依賴于一種叫做Metasurface的技術，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合，為全彩Metasurface相機產生了最高質量的圖像和最寬的視野。

相機創造的一個關鍵創新是光學表面和產生圖像的信號處理算法的集成設計。 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生高質量的圖像。

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產生的圖像與之前的Metasurface相機的結果進行了比較，以及使用一系列六個折射鏡頭的傳統復合光學系統捕捉到的圖像。

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，因為它結合了紅、綠、藍來產生不同的色調。 

“設計和配置這些小的納米結構來做你想做的事，這是一個挑戰，”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導者。 “對于這種捕捉大視場RGB圖像的特定任務，之前并不清楚如何將數百萬個納米結構與后處理算法一起共同設計。”  

據介紹，這款Metasurface相機可以像電腦芯片一樣批量生產。

未來可以實現醫療機器人的微創內鏡診斷和治療疾病

通過對攝像機硬件和計算處理的聯合設計，Metasurface系統可以幫助醫療機器人進行微創內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，他現在是該學院的助理教授。他還在西雅圖的Tunoptix公司指導系統設計，該公司正在將這種Metasurface成像技術商業化。

Tunoptix是由科爾本的研究生顧問Arka Majumdar共同創立的，他是華盛頓大學歐洲經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相機鏡頭以更低的成本進行批量生產。

Heide還設想將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。”