作者:普林斯顿大学莫莉·夏拉赫
普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员开发了一种超小型照相机，其大小相当于一粒粗盐
该系统依赖于一种称为元曲面的技术，该技术用1
600万个圆柱形柱，可以像计算机芯片一样生产
学分:普林斯顿大学 微型相机在发现人体问题和感知超小型机器人方面有很大潜力，但过去的方法只能捕捉视野有限的模糊、扭曲的图像
现在，普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员已经用一个粗粒盐大小的超小型照相机克服了这些障碍
研究人员在11月11日发表的一篇论文中报告说，新系统可以产生清晰的全色图像，其体积是传统复合相机镜头的50万倍
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通过摄像头硬件和计算处理的联合设计，该系统可以使医疗机器人进行微创内窥镜检查，以诊断和治疗疾病，并改善其他尺寸和重量受限机器人的成像
成千上万个这样的摄像机阵列可以用于全场景传感，将表面变成摄像机
虽然传统相机使用一系列弯曲的玻璃或塑料透镜将光线弯曲成焦点，但新的光学系统依赖于一种称为亚表面的技术，这种技术可以像计算机芯片一样生产
只有半毫米宽，亚表面镶嵌着1
600万个圆柱形柱子，每个柱子大约有人类免疫缺陷病毒(HIV)那么大
每根柱子都有独特的几何形状，功能类似光学天线
改变每个柱的设计对于正确塑造整个光学波前是必要的
在基于机器学习的算法的帮助下，柱子与光的交互结合起来，为迄今为止开发的全色亚表面相机产生最高质量的图像和最宽的视野
相机设计的一个关键创新是光学表面和产生图像的信号处理算法的集成设计
这项研究的资深作者、普林斯顿大学计算机科学助理教授费利克斯·海德说，这提高了相机在自然光条件下的性能，而以前的亚表面相机需要实验室的纯激光或其他理想条件才能产生高质量的图像
研究人员将他们的系统产生的图像与以前的亚表面相机的结果进行了比较，以及由使用一系列六个折射透镜的传统复合光学器件捕获的图像
除了框架边缘有点模糊之外，这款纳米尺寸相机的图像与传统镜头相当，传统镜头的体积要大50多万倍
其他超小型亚表面透镜存在图像失真大、视场小、捕捉可见光全光谱能力有限的问题，这种现象被称为RGB成像，因为它结合了红、绿、蓝三种颜色来产生不同的色调
计算机科学博士伊森·曾说:“设计和配置这些小微结构来做你想做的事情是一个挑战。”
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普林斯顿的一名学生参与了这项研究
“对于捕捉大视场RGB图像这一特定任务来说，这很有挑战性，因为有数百万个这样的小微结构，如何以最佳方式设计它们还不清楚
" 以前的微型相机(左)在有限的视野内拍摄模糊、扭曲的图像
一种叫做神经纳米光学的新系统(右)可以产生清晰的全色图像，与传统的复合相机镜头相当
学分:普林斯顿大学 合著者Shane Colburn通过创建一个计算模拟器来自动测试不同的纳米天线配置，从而应对了这一挑战
科尔本说，由于天线的数量及其与光相互作用的复杂性，这种模拟可以使用“大量的内存和时间”
他开发了一个模型，以足够的精度有效地逼近元曲面的图像生成能力
科尔本，作为博士指导这项工作
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华盛顿大学电气与计算机工程系(UW ECE)的学生，现在是该系的助理教授
他还在总部位于西雅图的Tunoptix公司指导系统设计，该公司正在将亚表面成像技术商业化
Tunoptix是由科尔本的研究生顾问Arka Majumdar共同创立的，他是华盛顿大学欧洲经济委员会和物理系的副教授，也是这项研究的合著者
合著者詹姆斯·怀特黑德，博士
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UW欧洲经委会的一名学生制造了基于氮化硅的亚表面，氮化硅是一种类似玻璃的材料，与用于计算机芯片的标准半导体制造方法兼容，这意味着给定的亚表面设计可以很容易地以比传统相机镜头更低的成本大规模生产
“虽然光学设计的方法并不新鲜，但这是第一个在前端使用表面光学技术，在后端使用基于神经的处理的系统，”迈特-Optik的顾问、前美国大学高级研究员兼首席科学家约瑟夫·迈特(Joseph Mait)说
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陆军研究实验室
“发表的工作的意义在于完成了一项艰巨的任务，即联合设计亚表面的百万个特征的大小、形状和位置以及检测后处理的参数，以实现所需的成像性能，”没有参与研究的Mait补充道
海德和他的同事们现在正在努力给相机本身增加更多的计算能力
除了优化图像质量，他们还希望增加目标检测和其他与医学和机器人相关的传感模式的能力
Heide还设想使用超小型成像器来创建“作为传感器的表面”
”“我们可以将单个表面变成具有超高分辨率的摄像头，这样你就不再需要在手机背面安装三个摄像头，而是将手机的整个背面变成一个巨大的摄像头
我们可以想出完全不同的方法在未来制造设备，”他说
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