摄像头无处不在。两个多世纪以来，这些设备日益普及，其实用性也日益凸显，已成为现代生活中不可或缺的一部分。如今，摄像头的应用范围十分广泛，从智能手机、笔记本电脑到安防监控系统，再到汽车、飞机和用于高空拍摄地球图像的卫星，无所不包。随着机械、光学和电子产品小型化的持续发展，科学家和工程师们正在努力为这些技术打造更小、更轻、更节能的摄像头。

图片来源：普林斯顿大学

超平面光学器件已被提出作为解决这一工程难题的解决方案，因为它们可以替代目前摄像头中相对笨重的镜头。许多超平面光学器件（例如超透镜）并非采用玻璃或塑料制成的曲面透镜，而是使用一层薄而平的微观纳米结构来操控光线，这使得它们比传统摄像头镜头小数百倍甚至数千倍，重量也轻得多。

但有一个大问题亟待解决。当光学元件具有大光圈（镜头中允许光线进入摄像头的开口）时，一种被称为“色差”的光学畸变会限制超平面光学元件产生高质量彩色图像的能力。大光圈可以增加光通量，从而产生与当今大多数摄像头类似的图像。多年来，超平面光学元件的这一根本限制一直被许多人视为不可逾越的障碍。直到现在，情况才有所改变。

据外媒报道，华盛顿大学电子与计算机工程系（UW ECE）和普林斯顿大学（Princeton University）计算机科学系的研究人员取得了一项开创性的成果，该研究团队证明搭载大光圈超平面光学元件的摄像头可以录制与传统摄像头镜头相当的高质量彩色图像和视频。这项令人瞩目的成就挑战了人们普遍认为的清晰全彩成像不可能仅使用单个大光圈超透镜的观念。相关研究论文《超越大光圈宽带纳米光学元件的光谱带宽》发表在期刊《自然-通讯（Nature Communications）》上。

研究团队开发的超平面光学元件是一种厚度仅为1微米的超透镜。当其固定在支撑基板上时，厚度仍然只有300微米，大约相当于四根并排的人类头发的宽度。总的来说，它比标准折射透镜小数百倍，也薄数百倍。因此，当这种超透镜取代传统的摄像头镜头或透镜组时，可以显著节省体积、重量并延长设备电池寿命。

这种超平面光学元件几乎可以应用于所有摄像头，尤其适用于任何受尺寸或重量限制的成像系统。智能手机和笔记本电脑摄像头是这种超透镜最易想到的应用场景，但它还可以应用于许多其他领域，例如需要轻量化成像系统的汽车、无人机或卫星。即使是内窥镜和血管镜等医疗器械，也可以受益于这种超平面光学元件所带来的更小巧的系统，使医生能够更深入地观察身体内部，从而诊断和治疗疾病。

Majumdar、Heide及其研究团队在过去几年中在光学领域取得了一些重大进展，例如将摄像头缩小到盐粒大小，同时仍能捕捉清晰锐利的图像，以及设计出能够以光速识别图像的摄像头。Majumdar的实验室团队在重塑智能手机摄像头和其他设备的光学系统方面也拥有丰富的经验。

Fröch表示：“以前人们认为超透镜越大，可聚焦的颜色就越少。但我们突破了这一极限。”Chakravarthula补充道：“我们将其视为一个整体系统，这使我们能够充分利用光学和计算的互补优势，我们不是按顺序设计成像系统的不同部分，而是共同优化它们，以最大限度地提高性能。”

人工智能计算助力实现高分辨率图像

大多数成像系统都使用多个折射透镜，因为单个透镜无法将所有颜色聚焦。这个被称为“色差”的问题在超平面光学器件中变得更加严重。

许多科学家和工程师甚至认为超透镜具有超色差，因为所有光线无法聚焦在某一点。这限制了超平面光学器件在拥有更大孔径的同时仍能良好地成像可见光的能力。

在此研究进展之前，人们认为制造出能够产生高质量图像的大孔径超透镜是不可能的。早期对超透镜的研究尝试大多是针对尺寸小于一毫米的摄像头光圈进行的。

相比之下，研究团队设计的摄像头光圈尺寸为一厘米，明显更大。团队证明，通过与光学硬件共同设计的强大计算后端，更大的光圈是可能的。

Chakravarthula说道：“人们曾尝试过纯粹基于物理或启发式的手工光学设计来解决这个问题，但在我们的工作中，我们将其视为一个计算问题。我们使用人工智能工具来确定这些透镜结构的形状以及相应的计算策略。”

该团队光学系统的计算后端集成了人工智能，一种基于概率扩散的神经网络。这个由人工智能驱动的后端接收来自超平面光学元件的数据，并输出雾度更低、色彩精度更高、色调更鲜艳、降噪效果更好的图像。所有这些都能产生高质量的彩色图像，几乎与传统摄像头拍摄的图像难以区分。

Fröch表示：“以前，我总是从系统的光学方面考虑问题。但这个项目真正让我明白，如果从整个系统的角度考虑，并尝试利用每个部分（光学和计算后端）的优势，它们就能协同工作，产生我们在这里展示的这种真正优质的图像质量。”

致力于更清晰的图像和新模式

研究团队的下一步计划包括进一步改进和提升其超平面光学元件的图像质量。他们还计划探索他们开发的光学系统的不同模式，以增强人类视觉。这些模态涉及捕捉和处理超出人眼可见范围的光线信息。举例来说，许多动物，例如蝴蝶，它们的可见光范围远远超出人类可见光谱，并从光的不同特性（例如偏振，即光波在空间传播时的方向）中获取有用的信息。动物利用这些信息寻找食物、躲避捕食者和吸引配偶。类似地，人类可以利用肉眼无法触及的光来实现偏振或光谱信息的多模态感知。

光探测与测距（LiDAR）就是一个例子，它目前正应用于自动驾驶汽车和智能手机，以辅助增强现实、虚拟现实和深度感知应用。研究团队预计，他们的超平面光学器件有望应用于此类技术。

这种超平面光学器件在不久的将来也极有可能实现商业化。超透镜适合在代工厂使用纳米印刷光刻技术进行大规模生产，这使得光学器件价格低廉且可规模化生产。该团队目前正在与华盛顿大学眼科系的一位教授洽谈，这位教授对开发小型、轻便的手持式设备感兴趣，以便更方便地进行眼科检查。

Fröch还表示，一些初创公司可能对这项技术的商业化感兴趣，并且还指出，该团队的研究可以为光学领域的其他研究者开辟新的探索途径。Fröch说道：“我认为，总的来说，即使在解决某个问题时存在明显的局限性，但这并不意味着它无法解决。我们的工作展示了超平面光学器件的潜力。我认为我们的研究推动了该领域的发展，未来还会有更多类似的研究。”