最近，普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员开发出一种米粒大小的微型相机，可以拍摄高清全彩照片，在医疗和其他专业领域发挥重要作用。相关论文发表在11月29日的《自然通讯》杂志上。

这种微型相机属于神经纳米光学领域，在其不寻常的外表下，是光学表面和计算处理技术的创新结合。

▲图片来自:普林斯顿

第一，光学面。传统相机使用曲面玻璃或塑料镜头，而新的微型相机光学系统依赖于“超曲面”成像技术，可以像计算机芯片一样生产。

微型相机的超级表面只有半毫米宽，上面镶嵌着160万个圆柱体，大约相当于人类免疫缺陷病毒(HIV)的大小。每个圆柱体都有独特的几何形状，功能类似于“光波段电磁天线”。改变每个柱面的设计将影响整个光学波前的正确成形。

▲图片来自:普林斯顿

第二，计算成像方法。为了拍摄大视场的RGB图像，需要设计和配置数百万个圆柱体的大小、形状和位置以及算法。这篇论文的作者之一Shane Colburn创建了一个计算模拟器来自动测试不同的设计和配置。他开发了一个模型，具有足够的精度来逼近超曲面的图像生成能力，从而达到所需的成像性能。

这种微型相机的优点是可以拍摄出清晰的全彩图像，是目前为止开发的全彩超曲面相机中质量最高、视野最广的。

▲旧微型相机(左)和新微型相机(右)。图片来自:普林斯顿

过去，微型相机的视野和捕捉可见光全光谱的能力有限，图像模糊，失真严重。新的微型相机可以拍摄出清晰的全色图像，只是画面边缘有点模糊，基本相当于传统的折射式复合镜头，比它大50万倍。

▲图片来自:普林斯顿

此外，根据普林斯顿大学计算机科学助理教授费利克斯·海德(Felix Heide)的说法，与之前的超曲面相机不同，这种相机需要纯激光或实验室中的其他理想条件才能产生高质量的图像，新型微型相机在自然光下的性能也有所提高。

▲传统镜头(左)和“米相机”(右)。图片来自:普林斯顿

在未来，微型相机很可能会商业化。华盛顿大学电气和计算机工程系博士科尔本也参与了这项研究。他在西雅图的Tunoptix公司指导系统设计，并计划将超表面成像技术商业化。

与此同时，与科尔伯恩同校同系的詹姆斯·怀特黑德博士制造了基于氮化硅的超级表面，氮化硅是一种玻璃态材料，与计算机芯片的标准半导体制造方法兼容——这意味着与传统相机中的镜头相比，给定的超级表面设计可以以更低的成本轻松量产。

研究团队现在正在努力为相机本身增加更多的计算能力。除了优化图像质量，他们还希望加入物体检测功能，并将其应用于医学和机器人学。

▲图片来自:普林斯顿

例如，微型摄像机在发现人类问题和为超小型机器人提供传感方面具有巨大的潜力。它们可以用于微创内窥镜和医疗机器人，也可以改善其他受尺寸和重量限制的机器人的成像。

他们还设想创建一个“表面作为传感器”，数千个“大米相机”的阵列可用于感知整个场景，将表面变成相机:

我们可以把单个表面变成超高分辨率的摄像头，这样你就不再需要手机背面的三个摄像头，整个手机背面都会变成一个巨大的摄像头。我们可以想出完全不同的方法来制造未来的设备。