相機無處不在。 兩個多世紀以來，這些設備越來越受歡迎，并被證明非常有用，已成為現代生活中不可或缺的一部分。

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

超薄光學已被提議作為應對這一工程挑戰(zhàn)的解決方案，因為它們可以替代當今相機中相對笨重的鏡頭。與使用玻璃或塑料制成的曲面透鏡不同，許多超薄光學器件（如超表面透鏡）使用一個覆蓋著微觀納米結構的薄平面來操控光線，這使得它們比傳統(tǒng)相機鏡頭小數百甚至數千倍，重量也輕得多。

但存在一個大問題。 一種稱為“色差”的光學畸變，限制了超薄光學器件在擁有大孔徑（aperture，即鏡頭中讓光線進入相機的開口）時產生高質量彩色圖像的能力。

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

在一項開創(chuàng)性的成就中， 華盛頓大學電氣與計算機工程系（UW ECE）和普林斯頓大學計算機科學系的研究人員表明，包含大孔徑超薄光學器件的相機能夠記錄高質量彩色圖像和視頻，其效果可與傳統(tǒng)相機鏡頭捕捉的效果相媲美。這一顯著成就挑戰(zhàn)了普遍認為使用單個大孔徑超表面透鏡無法實現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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標準折射鏡片與超平面光學器件比較

研究團隊開發(fā)的超薄光學器件是一個僅一微米厚的超表面透鏡。當固定在其支撐基板上時，總厚度也僅為300微米——大約相當于四根人類頭發(fā)并排的寬度。

總的來說，它比標準折射透鏡小數百倍，薄數百倍。因此，當這種超表面透鏡取代傳統(tǒng)的相機鏡頭或一組鏡頭時，可以在體積、重量和設備電池壽命方面實現顯著節(jié)省。

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

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

這項成就源于論文資深作者之間長期的合作。他們是華盛頓大學電氣與計算機工程系兼物理學系教授Arka Majumdar和普林斯頓大學計算機科學系助理教授Felix Heide。

Majumdar、Heide以及他們的研究團隊在過去幾年里在光學領域取得了一些驚人的進展，例如將相機縮小到鹽粒大小同時仍能捕捉清晰明快的圖像，以及設計出能夠以光速識別圖像的相機。馬朱姆達爾的實驗室團隊在重新構想智能手機相機和其他設備的光學系統(tǒng)方面也擁有良好的記錄。

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研究團隊設計的相機原型。該工程原型包含具有一厘米透鏡孔徑的超平面光學器件。

這項最新的研究進展源于先前由Majumdar和Heide監(jiān)督的一項合作，該合作由Heide實驗室的博士生、也是本論文合著者之一的Ethan Tseng領導。

論文的主要作者是華盛頓大學電氣與計算機工程系研究助理教授Johannes Fröch和北卡羅來納大學教堂山分校計算機科學系助理教授Praneeth Chakravarthula。進行這項研究時，Chakravarthula是普林斯頓大學海德實驗室的博士后學者。

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

Chakravarthula補充道：“我們將其視為一個整體系統(tǒng)。這使我們能夠利用光學和計算的互補優(yōu)勢，我們不是按順序設計成像系統(tǒng)的這些不同部分，而是聯(lián)合優(yōu)化它們以最大化性能。”

人工智能驅動的計算實現高分辨率圖像

在大多數成像系統(tǒng)中，使用多個折射透鏡是因為單個透鏡無法將所有顏色聚焦到一點。這個問題，即“色差”，在超薄光學器件中更加嚴重。

許多科學家和工程師甚至認為超表面透鏡是“超色差的”（hyperchromatic），因為無法將所有光線聚焦到一個給定的點上。這限制了超薄光學器件擁有更大孔徑并同時在可見光成像方面表現出色的能力。

在此研究進展之前，人們認為不可能制造出能夠產生高質量圖像的大孔徑超表面透鏡。早期大多數關于超表面透鏡的努力都致力于尺寸小于一毫米的相機孔徑。

相比之下，研究團隊設計的相機孔徑尺寸為一厘米，明顯更大。團隊證明，通過與光學硬件協(xié)同設計的強大計算后端，甚至可以實現更大的孔徑。

Chakravarthula說：“人們嘗試過純粹的基于物理的或啟發(fā)式的、手工制作的光學設計來解決這個問題，但在我們的工作中，我們將其視為一個計算問題。我們使用人工智能工具來確定這些透鏡結構的形狀應該是什么，以及相應的計算應該是什么。”

團隊光學系統(tǒng)的計算后端融合了人工智能——一種基于概率擴散的神經網絡（probabilistic diffusion-based neural network）。這個由人工智能驅動的后端接收從超薄光學器件獲取的數據，并輸出具有更低霧度、更好色彩準確性、更鮮艷色調和更好降噪效果的圖像。所有這些共同產生了高質量的彩色圖像，幾乎與傳統(tǒng)相機拍攝的圖像難以區(qū)分。

Fröch說：“以前，我總是從系統(tǒng)的光學方面考慮問題。但這個項目確實向我表明，如果你考慮整個系統(tǒng)，然后嘗試利用每個部分的優(yōu)勢——光學和計算后端——它們可以協(xié)同工作，產生我們在這里展示的如此好的圖像質量。”

致力于實現更清晰的圖像和新模式

研究團隊的下一步包括進一步提煉和提高其超薄光學器件產生的圖像質量。他們還計劃探索為其開發(fā)的光學系統(tǒng)設計不同的模式（modalities），這可能有助于增強人類視覺。這些模式涉及捕獲和處理人眼不可見的光線信息。

舉例來說，許多動物，如蝴蝶，可以看到遠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的方向）中獲取有用信息。

動物利用這些信息來尋找食物、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法看到的光來實現偏振或光譜信息的多模態(tài)傳感。

這方面的一個例子是光探測和測距，即LiDAR，目前正用于自動駕駛汽車和智能手機中，以輔助增強現實（AR）、虛擬現實（VR）和深度感知應用。研究團隊預計他們的超薄光學器件可以應用于這類技術。

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

Fröch還表示，有一些初創(chuàng)公司可能對將這項技術商業(yè)化感興趣。他還指出，團隊的研究可以為光學領域的其他人探索開辟新途徑。

Fröch說：“我認為這里的總體要點是，即使解決某個問題存在被認為的限制，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器件的能力，什么是可以做到的。我認為我們的研究推動了該領域的發(fā)展，未來還會有更多此類工作。”

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-58208-4