Nature:盐粒大小的相机,可以拍出清晰彩色照片,未来或可应用到手机

大数据文摘出品

你能想象上图只有盐粒大小的物体是一款相机吗?

事实上,这款微型相机甚至可以拍出清晰的全彩图像,而相比之下,普通相机的尺寸要大50万倍。

我们可以来看看它的成片。

这款微型相机是普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员合作创造的一种新型的光学系统,这个系统依赖于一种叫做Metasurface的技术。

简单来说,研究人员先将相机的硬件缩小到合适的尺寸,并将其与神经网络图像处理技术相结合,使相机能够在自然光线下产生清晰的图像,而以往微型相机只能在完美的实验室环境下拍摄出有效的图像。

该研究也发表在Nature通讯上。

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每个镜片镶嵌着160万根圆柱,可以像电脑芯片一样生产

这个系统依赖于一种叫做Metasurface的技术,每个微型镜片镶嵌着160万根圆柱型立柱,每根柱子的大小大约相当于病毒大小。

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前的形状,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,柱子与光线完美交互结合,为全彩Metasurface相机产生了最高质量的图像和最宽的视野。

相机创造的一个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。 该研究的资深作者、普林斯顿大学计算机科学助理教授Felix Heide说,这提高了相机在自然光条件下的性能,而以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的图像。

左:2018年SOTA微型相机;右:本文介绍的应用Neural Nano-optics的微型相机

研究人员将他们的系统产生的图像与之前的Metasurface相机的结果进行了比较,以及使用一系列六个折射镜头的传统复合光学系统捕捉到的图像。

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。 

“设计和配置这些小的纳米结构来做你想做的事,这是一个挑战,”普林斯顿大学计算机科学博士生Ethan Tseng说,他是这项研究的共同领导者。 “对于这种捕捉大视场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共同设计。”  

据介绍,这款Metasurface相机可以像电脑芯片一样批量生产。

未来可以实现医疗机器人的微创内镜诊断和治疗疾病

通过对摄像机硬件和计算处理的联合设计,Metasurface系统可以帮助医疗机器人进行微创内窥镜诊断和治疗疾病,并改善其他受体积和重量限制的机器人的成像。

成千上万的这样的摄像机阵列还可以用于全景感应,将Metasurface变成摄像机。

Colburn在华盛顿大学电子与计算机工程系(UW ECE)攻读博士时进行了这项研究,他现在是该学院的助理教授。他还在西雅图的Tunoptix公司指导系统设计,该公司正在将这种Metasurface成像技术商业化。

Tunoptix是由科尔本的研究生顾问Arka Majumdar共同创立的,他是华盛顿大学欧洲经委会和物理系的副教授,也是这项研究的共同作者。 

该研究的共同作者James Whitehead是威斯康星大学欧洲经济学院的博士生,他利用氮化硅(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)制造了Metasurface,这意味着Metasurface可以很容易地以比传统相机镜头以更低的成本进行批量生产。

Heide还设想将Metasurface应用到手机上。

 “我们可以将单个Metasurface变成超高分辨率的摄像头,这样你就不再需要在你的手机背后安装三个摄像头,但你的整个手机背面将成为一个巨大的摄像头。” 

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