近日，美国普林斯顿大学和华盛顿大学的一个联合研究小组表示，他们最新研发的相机镜头采用集成了160万个圆柱的超表面——它是可以像半导体芯片一样大批量生产的神经纳米光学元件（Neural nano-optics），并在自然光条件下实现清晰的全彩色成像。
神经纳米光学元件
微型相机在发现人体问题并为超小型机器人提供传感方面具有巨大潜力，但过去的方法只能在有限的视野范围内捕捉到模糊、失真的图像。
现在，普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员利用盐粒大小的超紧凑光学元件克服了上述障碍。研究人员于11月29日在《自然·通讯》期刊上发表的一篇题为“Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging”的论文中写道，基于神经纳米光学元件的新成像系统可以产生清晰的全彩色图像，其成像性能与体积大50多万倍的传统复合型光学相机镜头相当。
通过相机硬件和计算处理的联合设计，该成像系统可以实现微创内窥镜与医疗机器人的诊断和治疗，并改善其他受尺寸和重量限制的机器人成像应用。数千个此类相机组成的阵列可用于全场景传感。
传统相机使用一系列玻璃或塑料透镜将光线聚焦，而此次研发的新型光学系统则依赖于一种超表面——神经纳米光学元件，可以像半导体芯片一样生产。该光学元件仅半毫米宽，布满了160万个圆柱，每根柱子的大小都与人类免疫缺陷病毒（HIV）差不多。
神经纳米光学元件及其设计
每根柱子都有独特的几何形状，其功能类似于光学天线。改变每根柱子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，柱子与光的相互作用，为迄今为止开发的全彩色超表面相机生成最高质量的图像和最宽的视场。
该新型光学相机的一个关键创新是光学超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Felix Heide说道，与以前的超表面相机相比（需要在实验室或其他理想条件下的纯激光来生成高质量图像），新设计提高了微型相机在自然光条件下的成像性能。
以前的超表面相机成像（左） vs. 基于神经纳米光学元件的相机成像（右）
研究人员将基于神经纳米光学元件的相机成像与以前的超表面相机成像、使用六个折射透镜的传统复合型光学相机成像进行了比较。除了画面边缘有点模糊之外，基于神经纳米光学元件的相机成像与传统复合型光学相机相当，而后者的体积要大50多万倍。
基于神经纳米光学元件的相机成像（第三列）与其他相机成像对比
“设计和制造这些微小的光学元件来实现你想做的事情是一项挑战。”普林斯顿大学计算机科学博士生Ethan Tseng说道，“对于捕获大视场角RGB图像的这项特殊任务来说，这是具有挑战性的，因为一个微光学元件上有数百万个微纳结构，而且不清楚如何以最佳方式设计它们。”
本项研究论文的共同主要作者Shane Colburn通过创建一种计算模拟器来自动测试不同的纳米天线（柱子）配置来应对上述挑战。Shane Colburn说，由于天线的数量及其与光相互作用的复杂性，这种类型的计算模拟需要使用“大量的内存和时间”。为此，他开发了一种新的计算模型，能够以足够的精度有效地近似超表面的图像生成能力。
Shane Colburn作为华盛顿大学电气与计算机工程系的博士生主持了这项研究工作，现在他是该校的助理教授。他还指导一家总部位于西雅图的Tunoptix公司进行光学系统设计，并正在将超表面成像技术商业化。Tunoptix是由Shane Colburn的博士研究生导师Arka Majumdar共同创立的公司，Arka Majumdar是华盛顿大学副教授，也是该研究的合著者。
该论文合著者James Whitehead是华盛顿大学电气与计算机工程系的博士生，他采用了与标准半导体工艺相兼容的制造方法来生产基于氮化硅的超表面——这意味着给定的超表面设计可以很容易地批量生产，成本低于传统光学相机镜头。
神经纳米光学元件表征
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26443-0
