相機(jī)無(wú)處不在。 兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，這些設(shè)備越來(lái)越受歡迎，并被證明非常有用，已成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分。

如今，它們被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域——從智能手機(jī)、筆記本電腦到安防監(jiān)控系統(tǒng)，再到從高空對(duì)地球成像的汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星。隨著機(jī)械、光學(xué)和電子產(chǎn)品持續(xù)小型化的總體趨勢(shì)不斷發(fā)展，科學(xué)家和工程師們正在尋找方法為這些技術(shù)制造更小、更輕、更節(jié)能的相機(jī)。

超薄光學(xué)已被提議作為應(yīng)對(duì)這一工程挑戰(zhàn)的解決方案，因?yàn)樗鼈兛梢蕴娲��?dāng)今相機(jī)中相對(duì)笨重的鏡頭。與使用玻璃或塑料制成的曲面透鏡不同，許多超薄光學(xué)器件（如超表面透鏡）使用一個(gè)覆蓋著微觀納米結(jié)構(gòu)的薄平面來(lái)操控光線，這使得它們比傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭小數(shù)百甚至數(shù)千倍，重量也輕得多。

但存在一個(gè)大問(wèn)題。 一種稱為“色差”的光學(xué)畸變，限制了超薄光學(xué)器件在擁有大孔徑（aperture，即鏡頭中讓光線進(jìn)入相機(jī)的開口）時(shí)產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像的能力。

大孔徑增加了光通量，以創(chuàng)建與當(dāng)今大多數(shù)相機(jī)所能產(chǎn)生的類似的圖像。多年來(lái)，超薄光學(xué)的這一基本限制，直到現(xiàn)在一直被許多人視為不可逾越的障礙。

在一項(xiàng)開創(chuàng)性的成就中， 華盛頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系（UW ECE）和普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究人員表明，包含大孔徑超薄光學(xué)器件的相機(jī)能夠記錄高質(zhì)量彩色圖像和視頻，其效果可與傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭捕捉的效果相媲美。這一顯著成就挑戰(zhàn)了普遍認(rèn)為使用單個(gè)大孔徑超表面透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)清晰全彩成像的信念。

他們的論文"Beating spectral bandwidths for large aperture broadband nano-optics"發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

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標(biāo)準(zhǔn)折射鏡片與超平面光學(xué)器件比較

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的超薄光學(xué)器件是一個(gè)僅一微米厚的超表面透鏡。當(dāng)固定在其支撐基板上時(shí)，總厚度也僅為300微米——大約相當(dāng)于四根人類頭發(fā)并排的寬度。

總的來(lái)說(shuō)，它比標(biāo)準(zhǔn)折射透鏡小數(shù)百倍，薄數(shù)百倍。因此，當(dāng)這種超表面透鏡取代傳統(tǒng)的相機(jī)鏡頭或一組鏡頭時(shí)，可以在體積、重量和設(shè)備電池壽命方面實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)省。

這種超薄光學(xué)器件幾乎可以應(yīng)用于任何相機(jī)，對(duì)于任何受尺寸或重量限制的成像系統(tǒng)都特別有用。

智能手機(jī)和筆記本電腦相機(jī)是首先想到的應(yīng)用，但它也可以應(yīng)用于廣泛的其他技術(shù)，例如需要輕量化成像系統(tǒng)的汽車、無(wú)人機(jī)或衛(wèi)星。即使是醫(yī)療器械，如內(nèi)窺鏡和血管鏡，也能從這種超薄光學(xué)器件所能實(shí)現(xiàn)的更小系統(tǒng)中受益，讓醫(yī)生能夠更深入地觀察體內(nèi)以診斷和治療疾病。

這項(xiàng)成就源于論文資深作者之間長(zhǎng)期的合作。他們是華盛頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系兼物理學(xué)系教授Arka Majumdar和普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授Felix Heide。

Majumdar、Heide以及他們的研究團(tuán)隊(duì)在過(guò)去幾年里在光學(xué)領(lǐng)域取得了一些驚人的進(jìn)展，例如將相機(jī)縮小到鹽粒大小同時(shí)仍能捕捉清晰明快的圖像，以及設(shè)計(jì)出能夠以光速識(shí)別圖像的相機(jī)。馬朱姆達(dá)爾的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在重新構(gòu)想智能手機(jī)相機(jī)和其他設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)方面也擁有良好的記錄。

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研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的相機(jī)原型。該工程原型包含具有一厘米透鏡孔徑的超平面光學(xué)器件。

這項(xiàng)最新的研究進(jìn)展源于先前由Majumdar和Heide監(jiān)督的一項(xiàng)合作，該合作由Heide實(shí)驗(yàn)室的博士生、也是本論文合著者之一的Ethan Tseng領(lǐng)導(dǎo)。

論文的主要作者是華盛頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系研究助理教授Johannes Fröch和北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授Praneeth Chakravarthula。進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)，Chakravarthula是普林斯頓大學(xué)海德實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者。

Fröch說(shuō)：“以前，人們認(rèn)為超表面透鏡越大，能夠聚焦的顏色就越少。但我們超越了這一點(diǎn)，打破了極限。”

Chakravarthula補(bǔ)充道：“我們將其視為一個(gè)整體系統(tǒng)。這使我們能夠利用光學(xué)和計(jì)算的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，我們不是按順序設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)的這些不同部分，而是聯(lián)合優(yōu)化它們以最大化性能。”

人工智能驅(qū)動(dòng)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像

在大多數(shù)成像系統(tǒng)中，使用多個(gè)折射透鏡是因?yàn)閱蝹�(gè)透鏡無(wú)法將所有顏色聚焦到一點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題，即“色差”，在超薄光學(xué)器件中更加嚴(yán)重。

許多科學(xué)家和工程師甚至認(rèn)為超表面透鏡是“超色差的”（hyperchromatic），因?yàn)闊o(wú)法將所有光線聚焦到一個(gè)給定的點(diǎn)上。這限制了超薄光學(xué)器件擁有更大孔徑并同時(shí)在可見光成像方面表現(xiàn)出色的能力。

在此研究進(jìn)展之前，人們認(rèn)為不可能制造出能夠產(chǎn)生高質(zhì)量圖像的大孔徑超表面透鏡。早期大多數(shù)關(guān)于超表面透鏡的努力都致力于尺寸小于一毫米的相機(jī)孔徑。

相比之下，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的相機(jī)孔徑尺寸為一厘米，明顯更大。團(tuán)隊(duì)證明，通過(guò)與光學(xué)硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的強(qiáng)大計(jì)算后端，甚至可以實(shí)現(xiàn)更大的孔徑。

Chakravarthula說(shuō)：“人們嘗試過(guò)純粹的基于物理的或啟發(fā)式的、手工制作的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但在我們的工作中，我們將其視為一個(gè)計(jì)算問(wèn)題。我們使用人工智能工具來(lái)確定這些透鏡結(jié)構(gòu)的形狀應(yīng)該是什么，以及相應(yīng)的計(jì)算應(yīng)該是什么。”

團(tuán)隊(duì)光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算后端融合了人工智能——一種基于概率擴(kuò)散的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（probabilistic diffusion-based neural network）。這個(gè)由人工智能驅(qū)動(dòng)的后端接收從超薄光學(xué)器件獲取的數(shù)據(jù)，并輸出具有更低霧度、更好色彩準(zhǔn)確性、更鮮艷色調(diào)和更好降噪效果的圖像。所有這些共同產(chǎn)生了高質(zhì)量的彩色圖像，幾乎與傳統(tǒng)相機(jī)拍攝的圖像難以區(qū)分。

Fröch說(shuō)：“以前，我總是從系統(tǒng)的光學(xué)方面考慮問(wèn)題。但這個(gè)項(xiàng)目確實(shí)向我表明，如果你考慮整個(gè)系統(tǒng)，然后嘗試?yán)�用每個(gè)部分的優(yōu)勢(shì)——光學(xué)和計(jì)算后端——它們可以協(xié)同工作，產(chǎn)生我們?cè)谶@里展示的如此好的圖像質(zhì)量。”

致力于實(shí)現(xiàn)更清晰的圖像和新模式

研究團(tuán)隊(duì)的下一步包括進(jìn)一步提煉和提高其超薄光學(xué)器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量。他們還計(jì)劃探索為其開發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的模式（modalities），這可能有助于增強(qiáng)人類視覺(jué)。這些模式涉及捕獲和處理人眼不可見的光線信息。

舉例來(lái)說(shuō)，許多動(dòng)物，如蝴蝶，可以看到遠(yuǎn)超出人類可見光譜范圍的光，并從光的不同特性（如偏振——光波在空間中傳播時(shí)的方向）中獲取有用信息。

動(dòng)物利用這些信息來(lái)尋找食物、躲避捕食者和吸引配偶。以類似的方式，人類可以利用人眼無(wú)法看到的光來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振或光譜信息的多模態(tài)傳感。

這方面的一個(gè)例子是光探測(cè)和測(cè)距，即LiDAR，目前正用于自動(dòng)駕駛汽車和智能手機(jī)中，以輔助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和深度感知應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)他們的超薄光學(xué)器件可以應(yīng)用于這類技術(shù)。

這種超薄光學(xué)器件的商業(yè)化在不久的將來(lái)也是一個(gè)明顯的可能性。超表面透鏡適合在代工廠使用納米壓印光刻（nanoprint lithography）進(jìn)行大規(guī)模制造，這使得光學(xué)器件價(jià)格實(shí)惠且可擴(kuò)展。該團(tuán)隊(duì)目前正在與華盛頓大學(xué)眼科系的一位教授洽談，該教授有興趣制造更小、更輕、手持式的設(shè)備，以便更輕松地進(jìn)行眼部檢查。

Fröch還表示，有一些初創(chuàng)公司可能對(duì)將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化感興趣。他還指出，團(tuán)隊(duì)的研究可以為光學(xué)領(lǐng)域的其他人探索開辟新途徑。

Fröch說(shuō)：“我認(rèn)為這里的總體要點(diǎn)是，即使解決某個(gè)問(wèn)題存在被認(rèn)為的限制，但這并不意味著它不可能解決。我們的工作展示了超薄光學(xué)器件的能力，什么是可以做到的。我認(rèn)為我們的研究推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展，未來(lái)還會(huì)有更多此類工作。”

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-58208-4