科学家研发出一粒盐大小的相机，还是高清全彩的

微型相机在发现人体问题和实现超小型机器人传感方面具有巨大的潜力，但过去的方法捕捉到的图像往往模糊、扭曲，而且视野有限。

上图：该系统依赖于一种被称为超表面的技术，这种技术由160万个圆柱形柱组成，可以像计算机芯片一样生产。

现在，普林斯顿大学（Princeton University）和华盛顿大学（University of Washington）的研究人员利用一种粗盐粒大小的超小型相机克服了这些障碍。研究人员在11月29日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一篇研究论文中称，新系统可以产生与体积大50万倍的传统复合相机镜头相当的清晰、全彩图像。

通过摄像头硬件和计算处理的联合设计，该系统可以与医疗机器人进行微创内窥镜检查，以诊断和治疗疾病，并改善其他有尺寸和重量限制的机器人的成像。数以千计的这样的摄像机阵列可以用于全景传感，将表面变成摄像机。

传统的相机使用一系列弯曲的玻璃或塑料透镜将光线弯曲成焦点，而新的光学系统依赖于一种被称为“超表面”的技术，这种技术可以像计算机芯片一样产生。这个超表面只有半毫米宽，布满了160万个圆柱形柱，每个柱的大小与人类免疫缺陷病毒（HIV）差不多。

每个柱子都有独特的几何形状，其功能就像光学天线。为了正确地塑造整个光波阵面的形状，必须改变每个柱体的设计。在基于机器学习的算法的帮助下，柱子与光线的交互结合，为迄今开发的全彩超表面相机产生了最高质量的图像和最宽的视野。

上图：以前的微型相机(左)在有限的视野下只能捕捉到模糊、扭曲的图像。一种被称为神经纳米光学的新系统(右)可以产生与传统复合相机镜头相同的清晰、全彩图像。

相机创作中的一项关键创新，是光学表面和产生图像的信号处理算法的集成设计。这项研究的资深作者、普林斯顿大学计算机科学助理教授费利克斯·海德（Felix Heide）说，这提高了相机在自然光条件下的性能，而之前的超表面相机则需要实验室的纯激光或其他理想条件下才能产生高质量的图像。

研究人员将他们的系统产生的图像与之前的超表面相机的结果进行了比较，还将传统的复合光学相机使用6个折射透镜拍摄的图像进行了比较。除了镜框边缘有一点模糊外，这款纳米级相机的图像与传统镜头设置的图像相当，而后者的体积要大50万倍以上。

其他超紧凑型超表面透镜的图像畸变严重，视野小，捕捉全光谱可见光的能力有限 —— 被称为RGB成像，因为它结合了红、绿、蓝来产生不同的色调。

普林斯顿大学计算机科学博士生伊桑·曾（Ethan Tseng）是这项研究的共同负责人，他说：“要设计和配置这些微小的微结构来做你想做的事情，这是一个挑战。对于这项捕捉大视场RGB图像的特定任务，之前并不清楚如何将数百万个纳米结构与后处理算法一起设计。”

而联合首席作者谢恩·科尔本（Shane Colburn）通过创建一个计算模拟器来自动测试不同的纳米天线配置，从而解决了这一挑战。科尔本说，由于天线的数量和它们与光相互作用的复杂性，这种类型的模拟可以使用“大量的内存和时间”。他开发了一个模型，以有效近似超表面的图像生产能力，并具有足够的精度。

合作者詹姆斯·怀特黑德（James Whitehead）是威斯康星大学欧洲教育学院的博士生，他制作了基于氮化硅的超表面，氮化硅是一种类似玻璃的材料，与用于计算机芯片的标准半导体制造方法兼容。这意味着，给定的超表面设计，可以很容易地以比传统相机中的镜头更低的成本批量生产。

目前，费利克斯·海德教授和他的同事们正致力于为相机本身增加更多的计算能力。除了优化图像质量，他们还希望增加目标检测和其他与医学和机器人相关的传感模式的功能。

这项工作还得到了美国国家科学基金会、美国国防部、华盛顿大学现实实验室、Facebook、谷歌、Futurewei Technologies和亚马逊的部分支持。

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