北京時(shí)間 12 月 1 日消息，盡管只有小鹽粒大小，但由普林斯頓大學(xué)和華盛頓大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的一款微型相機(jī)的成像質(zhì)量，堪比配置尺寸大 50 萬倍鏡頭的專業(yè)相機(jī)。
這款相機(jī)解決了微型相機(jī)在成像質(zhì)量方面的難題：失真、模糊、視場(chǎng)有限。它將為能夠探知周圍環(huán)境的超小尺寸機(jī)器人的問世奠定基礎(chǔ)，甚至幫助醫(yī)生“看到”患者體內(nèi)的情況。
傳統(tǒng)相機(jī)借助結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鏡頭，使光線投射到膠片或數(shù)字傳感器上。由計(jì)算機(jī)科學(xué)家伊桑?茨奧(Ethan Tseng)及其同事開發(fā)的這款微型相機(jī)，依賴遍布“超構(gòu)表面”的 160 萬個(gè)圓柱拍攝圖像。每個(gè)圓柱大小相當(dāng)于一個(gè)艾滋病病毒，可以調(diào)制光線。相機(jī)寬度僅為 0.5 毫米，其上的每個(gè)圓柱都有自己獨(dú)特的形狀。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以對(duì)圓柱與光線之間的相互作用進(jìn)行解釋，并生成圖像。在迄今為止的超構(gòu)表面相機(jī)中，這款微型相機(jī)的成像質(zhì)量最好，視場(chǎng)最大。之前的設(shè)計(jì)存在各種問題，例如圖像失真、視場(chǎng)有限。
除在照片邊緣處略顯模糊外，新款相機(jī)的成像質(zhì)量堪比傳統(tǒng)相機(jī)。不同于之前的超構(gòu)表面相機(jī)只能在純色激光或其他高度理想化環(huán)境下使用的是，這款相機(jī)可以在自然光條件下拍攝照片。
茨奧說，“設(shè)計(jì)、組裝如此小的微結(jié)構(gòu)并使之能完成一定功能，是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。具體到拍攝大視場(chǎng)彩色照片方面，難題在于系統(tǒng)有數(shù)百萬個(gè)微型結(jié)構(gòu)組成，目前尚不清楚如何對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化。”
為了解決這一難題，華盛頓大學(xué)光學(xué)專家香儂?科爾伯恩(Shane Colburn)創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字模型，對(duì)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)和相機(jī)拍照進(jìn)行模擬，幫助研究人員對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。
科爾伯恩稱，每個(gè)表面包含大量天線以及天線與光線交互的復(fù)雜性，意味每次模擬都需要“大量?jī)?nèi)存和時(shí)間”。光學(xué)工程師約瑟夫?邁特(Joseph Mait)說，“雖然光學(xué)設(shè)計(jì)并不新穎，但前端使用表面光學(xué)技術(shù)、后端使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還是首次。”
他表示，“綜合設(shè)計(jì)超構(gòu)表面上數(shù)百萬個(gè)圓柱的尺寸、形狀和位置，確定后處理的參數(shù)，拍攝出滿意的照片，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。”目前，研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行提高這款相機(jī)計(jì)算能力的研究，目的是進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，以及整合包括物體識(shí)別在內(nèi)的功能。
這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。
