近期，《先進(jìn)光學(xué)材料》發(fā)表的一項研究介紹了一種集成孔徑光闌（ASI）的超透鏡，結(jié)合人工智能驅(qū)動的圖像恢復(fù)算法，旨在提升微型相機(jī)技術(shù)。該技術(shù)通過解決廣角和全彩成像的難題，顯著提升了緊湊型系統(tǒng)（尤其是便攜和可穿戴設(shè)備）的高質(zhì)量成像能力。

微型相機(jī)技術(shù)的突破

微型相機(jī)對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）設(shè)備、智能手機(jī)、應(yīng)急救援工具和醫(yī)療成像等便攜設(shè)備至關(guān)重要。傳統(tǒng)相機(jī)依賴笨重的折射透鏡校正光學(xué)像差，阻礙了小型化發(fā)展。超表面技術(shù)作為一種潛在替代方案，通過精密設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超薄光學(xué)元件。

其中，超透鏡雖能實(shí)現(xiàn)高度緊湊的成像結(jié)構(gòu)，但其性能常受顯著像差的限制。

集成孔徑光闌超透鏡與AI圖像恢復(fù)

本研究開發(fā)了一種與深度學(xué)習(xí)圖像恢復(fù)算法協(xié)同設(shè)計的ASI超透鏡架構(gòu)。該系統(tǒng)將單個超透鏡與0.5毫米厚玻璃基板背面的孔徑光闌結(jié)合，減少了彗差、三葉像差和散光等離軸畸變。這種設(shè)計降低了AI成像管道的計算需求，并提升了廣視場（FoV）性能。

圖片:adom202402853-fig-0001-m.jpg

結(jié)構(gòu)示意圖：a傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和b新型集成孔徑光闌超透鏡結(jié)構(gòu)

為優(yōu)化超透鏡相位分布和基于深度學(xué)習(xí)的圖像重建算法，研究團(tuán)隊采用端到端（E2E）可微分前向模型。基于U-Net架構(gòu)的輕量級卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）被用于圖像恢復(fù)，確保實(shí)時高效處理。原型器件通過先進(jìn)光刻技術(shù)制造，實(shí)現(xiàn)了精確對準(zhǔn)。

廣角與全彩成像的重大進(jìn)展

實(shí)驗驗證表明，ASI超透鏡系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)設(shè)計。數(shù)值模擬與測試顯示，其在可見光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了70°視場角，f值為1.93，入瞳直徑0.5毫米。這些成果突破了此前超透鏡設(shè)計僅限單一波長或窄視場的局限。

E2E優(yōu)化框架對超透鏡硬件與圖像重建算法的協(xié)同優(yōu)化至關(guān)重要。光學(xué)性能分析（包括調(diào)制傳遞函數(shù)MTF和澤尼克分解）表明，沿垂直軸的傾斜、離焦、散光、彗差和三葉像差顯著降低。MTF分析進(jìn)一步證實(shí)，單色像差的有效校正提升了高入射角下的成像質(zhì)量。

AI圖像恢復(fù)算法通過從傳感器數(shù)據(jù)重建高質(zhì)量圖像，顯著提升了成像表現(xiàn)。集成孔徑光闌的設(shè)計保留了多角度下的圖像細(xì)節(jié)與對比度，有效抑制了離軸像差。

采用包含峰值信噪比（PSNR）和結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）的復(fù)合損失函數(shù)后，上述指標(biāo)分別提升2.5 dB和0.09。這些進(jìn)展使ASI超透鏡成為現(xiàn)代廣角智能手機(jī)相機(jī)的有力競爭者。

重塑便攜與可穿戴設(shè)備成像

該研究對便攜電子設(shè)備、AR/VR及醫(yī)療成像領(lǐng)域意義深遠(yuǎn)。緊湊的ASI超透鏡設(shè)計尤其適用于智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備，可提升三維成像、物體檢測和生物識別性能。AI驅(qū)動的圖像恢復(fù)增強(qiáng)了系統(tǒng)適應(yīng)性，使其能在弱光等多種環(huán)境下實(shí)時處理。

E2E優(yōu)化框架凸顯了硬件與軟件協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢，為特定應(yīng)用打造高度優(yōu)化的成像系統(tǒng)。這些突破使ASI超透鏡成為消費(fèi)電子、安防、機(jī)器人和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的多面手解決方案。

未來研究需聚焦色彩還原優(yōu)化、弱光性能提升及色差與幾何畸變校正。探索先進(jìn)制造技術(shù)對規(guī)模化生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。隨著市場對高效緊湊成像方案的需求增長，此項研究將推動新一代成像系統(tǒng)發(fā)展，使微型相機(jī)與傳統(tǒng)笨重光學(xué)設(shè)備分庭抗禮。

相關(guān)鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202402853