在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，我們生活中的相機(jī)無(wú)處不在，從手機(jī)到衛(wèi)星，成像設(shè)備正變得越來(lái)越小。然而，傳統(tǒng)相機(jī)依賴(lài)于笨重的曲面玻璃或塑料透鏡組，這極大地限制了設(shè)備的進(jìn)一步小型化、輕量化和節(jié)能化。

長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)領(lǐng)域存在一個(gè)被認(rèn)為是“無(wú)法逾越的障礙”：超薄的平面光學(xué)元件（如超透鏡，metalens）雖然可以大大減小體積，但在使用大光圈時(shí)，卻無(wú)法避免一種名為“色差”（chromatic aberration）的視覺(jué)失真，從而無(wú)法捕捉清晰、全彩的圖像。色差意味著不同顏色的光線(xiàn)無(wú)法匯聚到同一個(gè)焦點(diǎn)上。這一限制使得超透鏡無(wú)法取代傳統(tǒng)相機(jī)，捕捉高質(zhì)量的彩色圖像。

直到現(xiàn)在，這一困境才被打破。

在一項(xiàng)發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）的突破性研究中，美國(guó)華盛頓大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)證明，一個(gè)大光圈、超平面的超透鏡能夠捕捉到與傳統(tǒng)鏡頭相媲美的高質(zhì)量彩色圖像和視頻。

納米技術(shù)與AI的完美結(jié)合

這項(xiàng)成就的關(guān)鍵在于將納米技術(shù)與人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的計(jì)算成像技術(shù)相結(jié)合。

1. 超薄鏡頭： 研究團(tuán)隊(duì)制造的超透鏡厚度僅有一微米，整個(gè)結(jié)構(gòu)（包括基底）也只有300微米厚，相當(dāng)于四根人頭發(fā)絲的總寬度。這比標(biāo)準(zhǔn)折射鏡片薄了數(shù)百倍，能顯著節(jié)省設(shè)備的體積、重量和功耗。
2. 打破色差限制： 傳統(tǒng)的解決方法是通過(guò)增加多片透鏡來(lái)抵消色差，但這又增加了體積。研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有固守純光學(xué)的解決方案，而是將其視為一個(gè)計(jì)算問(wèn)題。他們通過(guò)共同優(yōu)化光學(xué)硬件和計(jì)算后端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最大化。
3. AI計(jì)算后端： 研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算后端，其中包含一個(gè)基于概率擴(kuò)散模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（一種AI工具）。這個(gè)AI系統(tǒng)接收到超透鏡采集的原始數(shù)據(jù)后，能迅速進(jìn)行計(jì)算處理，輸出具有更低霧度、更高色彩準(zhǔn)確性、更鮮艷色調(diào)和更好降噪效果的圖像。最終生成的彩色圖像質(zhì)量幾乎與傳統(tǒng)相機(jī)無(wú)異。

巨大的應(yīng)用潛力

這項(xiàng)突破有望帶來(lái)相機(jī)技術(shù)的革命：

• 消費(fèi)電子： 立即惠及智能手機(jī)和筆記本電腦，使設(shè)備更加輕薄高效。
• 醫(yī)療設(shè)備： 極小的鏡頭設(shè)計(jì)可用于內(nèi)窺鏡、血管鏡等醫(yī)療設(shè)備，幫助醫(yī)生看得更深、更清晰，提高診斷準(zhǔn)確性。
• 新興技術(shù)： 適用于無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、衛(wèi)星等對(duì)重量和空間限制嚴(yán)格的應(yīng)用。
• 增強(qiáng)視覺(jué)： 未來(lái)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該技術(shù)擴(kuò)展到人類(lèi)肉眼不可見(jiàn)的多模態(tài)傳感領(lǐng)域，例如偏振光和光譜信息捕捉，以及LiDAR（激光雷達(dá)）等技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)人類(lèi)視覺(jué)和機(jī)器感知能力。

這項(xiàng)研究不僅打破了長(zhǎng)期以來(lái)的光學(xué)障礙，也驗(yàn)證了通過(guò)光學(xué)與計(jì)算協(xié)同設(shè)計(jì)（co-design）來(lái)推動(dòng)成像技術(shù)發(fā)展的巨大潛力，預(yù)示著一個(gè)更小、更智能、更高效的成像系統(tǒng)時(shí)代的到來(lái)。

參考資料：DOI: 10.1038/s41467-025-58208-4