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微型相機在發現人體問題和實現超小型機器人傳感方面具有巨大的潛力，但過去的方法捕捉到的圖像往往模糊、扭曲，而且視野有限。
上圖：該系統依賴於一種被稱為超表面的技術，這種技術由160萬個圓柱形柱組成，可以像計算機晶片一樣生產。
現在，普林斯頓大學（Princeton University）和華盛頓大學（University of Washington）的研究人員利用一種粗鹽粒大小的超小型相機克服了這些障礙。研究人員在11月29日發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上的一篇研究論文中稱，新系統可以產生與體積大50萬倍的傳統復合相機鏡頭相當的清晰、全彩圖像。
通過照相頭硬件和計算處理的聯合設計，該系統可以與醫療機器人進行微創內窺鏡檢查，以診斷和治療疾病，並改善其他有尺寸和重量限制的機器人的成像。數以千計的這樣的照相機陣列可以用於全景傳感，將表面變成照相機。
傳統的相機使用一系列彎曲的玻璃或塑膠透鏡將光線彎曲成焦點，而新的光學系統依賴於一種被稱為「超表面」的技術，這種技術可以像計算機晶片一樣產生。這個超表面只有半毫米寬，布滿了160萬個圓柱形柱，每個柱的大小與人類免疫缺陷病毒（HIV）差不多。
每個柱子都有獨特的幾何形狀，其功能就像光學天線。為了正確地塑造整個光波陣面的形狀，必須改變每個柱體的設計。在基於機器學習的算法的幫助下，柱子與光線的交互結合，為迄今開發的全彩超表面相機產生了最高質量的圖像和最寬的視野。
上圖：以前的微型相機(左)在有限的視野下只能捕捉到模糊、扭曲的圖像。一種被稱為神經奈米光學的新系統(右)可以產生與傳統復合相機鏡頭相同的清晰、全彩圖像。
相機創作中的一項關鍵創新，是光學表面和產生圖像的信號處理算法的集成設計。這項研究的資深作者、普林斯頓大學計算機科學助理教授費利克斯·海德（Felix Heide）說，這提高了相機在自然光條件下的性能，而之前的超表面相機則需要實驗室的純激光或其他理想條件下才能產生高質量的圖像。
研究人員將他們的系統產生的圖像與之前的超表面相機的結果進行了比較，還將傳統的復合光學相機使用6個折射透鏡拍攝的圖像進行了比較。除了鏡框邊緣有一點模糊外，這款奈米級相機的圖像與傳統鏡頭設置的圖像相當，而後者的體積要大50萬倍以上。
其他超緊湊型超表面透鏡的圖像畸變嚴重，視野小，捕捉全光譜可見光的能力有限 —— 被稱為RGB成像，因為它結合了紅、綠、藍來產生不同的色調。
普林斯頓大學計算機科學博士生伊桑·曾（Ethan Tseng）是這項研究的共同負責人，他說：「要設計和配置這些微小的微結構來做你想做的事情，這是一個挑戰。對於這項捕捉大視場RGB圖像的特定任務，之前並不清楚如何將數百萬個奈米結構與後處理算法一起設計。」
而聯合首席作者謝恩·科爾本（Shane Colburn）通過創建一個計算模擬器來自動測試不同的奈米天線配置，從而解決了這一挑戰。科爾本說，由於天線的數量和它們與光相互作用的龐雜性，這種類型的模擬可以使用「大量的記憶體和時間」。他開發了一個模型，以有效近似超表面的圖像生產能力，並具有足夠的精度。
合作者詹姆斯·懷特黑德（James Whitehead）是威斯康星大學歐洲教育學院的博士生，他制作了基於氮化矽的超表面，氮化矽是一種類似玻璃的材料，與用於計算機晶片的標準半導體制造方法兼容。這意味著，給定的超表面設計，可以很容易地以比傳統相機中的鏡頭更低的成本批量生產。
目前，費利克斯·海德教授和他的同事們正致力於為相機本身增加更多的計算能力。除了優化圖像質量，他們還希望增加目標檢測和其他與醫學和機器人相幹的傳感模式的功能。
這項工作還得到了美國國家科學基金會、美國國防部、華盛頓大學現實實驗室、Facebook、Google、Futurewei Technologies和亞馬遜的部分支持。
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