探索宇宙奧秘 · 理性思考

這其實(shí)是一個(gè)長(zhǎng)期困擾工程師的難題：當(dāng)光線傾斜進(jìn)入鏡頭時(shí)，圖像傳感器對(duì)色彩的還原能力會(huì)大幅下降?，F(xiàn)在，韓國(guó)科學(xué)家找到了一個(gè)巧妙的解決辦法，讓手機(jī)無(wú)論從哪個(gè)角度拍，顏色都能保持準(zhǔn)確。

要理解這個(gè)突破，得先聊聊傳統(tǒng)相機(jī)是怎么分辨顏色的。在大多數(shù)圖像傳感器上，都鋪著一層叫“拜耳濾色鏡”的薄膜。

這層膜像馬賽克一樣，由紅、綠、藍(lán)三種顏色的微小濾鏡拼成。每個(gè)像素只能感受到一種顏色，最后通過(guò)算法猜出全彩畫(huà)面。但這種方法天生就有短板：濾色鏡會(huì)吸收掉大部分光線，導(dǎo)致進(jìn)光量嚴(yán)重不足。

為了讓 tiny 的像素捕捉到足夠光線，科學(xué)家把目光投向了“納米光子色彩路由器”。這名字聽(tīng)著復(fù)雜，原理卻不難懂。它不使用傳統(tǒng)透鏡，而是靠肉眼看不見(jiàn)的微觀結(jié)構(gòu)，像交通警察一樣，精準(zhǔn)引導(dǎo)不同顏色的光。

這個(gè)基于超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)，能把入射光精確地分成紅、綠、藍(lán)三原色，分別送到對(duì)應(yīng)的像素上。理論上，通過(guò)堆疊多層極精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)，能比傳統(tǒng)濾色鏡收集更多光線，色彩分離也更準(zhǔn)確。

韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院（IBS）的一位科學(xué)家曾用一個(gè)比喻來(lái)解釋：“這就像在足球場(chǎng)上，不是用一個(gè)守門(mén)員去撲所有方向的球，而是為每個(gè)方向的來(lái)球都安排一個(gè)專門(mén)的守門(mén)員。”

韓國(guó)團(tuán)隊(duì)此次研究的核心，正是對(duì)這種色彩路由器的性能優(yōu)化。

此前，三星電子已經(jīng)展示了這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化潛力，將其命名為“Nano Prism”并應(yīng)用于實(shí)際圖像傳感器。但此前所有設(shè)計(jì)都面臨一個(gè)共同的“死穴”：斜入射問(wèn)題。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)光線垂直照射傳感器時(shí)，這些納米結(jié)構(gòu)工作得堪稱完美?？梢坏┕饩€角度發(fā)生改變，比如你側(cè)著手機(jī)拍照，它的性能就會(huì)急劇下降，色彩會(huì)混在一起。這就像精確設(shè)計(jì)的陷阱，只對(duì)從正上方掉進(jìn)來(lái)的獵物有效。

智能手機(jī)攝像頭隨時(shí)都在接收來(lái)自各個(gè)角度的光線，所以這個(gè)缺陷必須被克服。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）和漢陽(yáng)大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)決定從根本上解決問(wèn)題。

他們首先調(diào)查了問(wèn)題的根源。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以往的設(shè)計(jì)過(guò)度優(yōu)化于垂直入射光，導(dǎo)致入射角度哪怕只發(fā)生微小變化，性能也會(huì)大打折扣。這為后續(xù)的改進(jìn)指明了方向。

面對(duì)這個(gè)難題，研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有像以往那樣憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而是采用了一種名為“逆向設(shè)計(jì)”的新方法。

這種方法有點(diǎn)像“進(jìn)化”。工程師只需要告訴電腦你想要什么效果——比如“在光線傾斜±12度時(shí)，色彩分離效率依然要高”，然后電腦就會(huì)在無(wú)數(shù)種可能的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)算法自行推演，找到那個(gè)最優(yōu)解。

最終，電腦給出的設(shè)計(jì)方案令人驚訝。在這種新結(jié)構(gòu)下，即使光線傾斜±12度，它依然能保持約78%的光學(xué)效率，色彩分離穩(wěn)定。相比之下，舊的結(jié)構(gòu)在光線傾斜12度時(shí)幾乎完全失效。

換句話說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了智能手機(jī)實(shí)際使用環(huán)境的要求。團(tuán)隊(duì)還分析了包括超構(gòu)材料層數(shù)、設(shè)計(jì)條件以及潛在制造誤差等因素，系統(tǒng)性地定義了針對(duì)入射角變化的魯棒性極限。

看到這里，你可能會(huì)問(wèn)，我們國(guó)家在這個(gè)領(lǐng)域的研究怎么樣了？其實(shí)，中國(guó)科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界在這一賽道上的布局同樣積極，甚至可以說(shuō)正在努力實(shí)現(xiàn)“換道超車(chē)”。

中國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究，主要集中在兩個(gè)方向。

一是基礎(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)的突破。比如，早在2022年，南京大學(xué)就有團(tuán)隊(duì)在超構(gòu)表面（metasurface）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們提出的方案可以動(dòng)態(tài)調(diào)控顏色，原理上與韓國(guó)的色彩路由器有異曲同工之妙。此外，中科院等機(jī)構(gòu)也在不斷刷新著對(duì)微納結(jié)構(gòu)光場(chǎng)調(diào)控的認(rèn)知。

二是產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用探索。雖然三星率先展示了“Nano Prism”技術(shù)，但中國(guó)的手機(jī)廠商和傳感器制造商也并未缺席。以華為、OPPO、小米為代表的廠商，早已開(kāi)始與豪威科技（OmniVision）等國(guó)內(nèi)傳感器巨頭合作，共同研發(fā)更先進(jìn)的影像系統(tǒng)。

特別是在計(jì)算攝影領(lǐng)域，中國(guó)廠商已經(jīng)走在世界前列。一個(gè)有趣的思路是，能否用算法來(lái)“糾正”一部分硬件上斜入射帶來(lái)的色偏？事實(shí)上，這正是當(dāng)前很多旗艦手機(jī)正在做的事。未來(lái)，隨著韓國(guó)團(tuán)隊(duì)這樣更魯棒的硬件方案成熟，再結(jié)合中國(guó)廠商強(qiáng)大的算法能力，手機(jī)攝影的畫(huà)質(zhì)將迎來(lái)又一次質(zhì)的飛躍。

這項(xiàng)研究不僅關(guān)乎手機(jī)拍照好不好看。它的方法論——“逆向設(shè)計(jì)”為超構(gòu)材料光子器件提供了一套通用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，未來(lái)無(wú)論是更高效的光通信芯片，還是更靈敏的量子傳感設(shè)備，都可以借鑒這套思路。

可以說(shuō)，韓國(guó)學(xué)者這次的工作，為超構(gòu)材料光子器件的實(shí)用化點(diǎn)亮了一盞燈。而我們，也正在這條賽道上奮力追趕。