当我们随意地拿起手机拍照时，背面几厘米大小的镜头功不可没。外界的光通过镜片折射，投射到感光元件上，感光元件将光学信息转化为数字信息，经过手机内部计算处理，最终呈现到屏幕上。尽管随着时代的发展，相机的尺寸越来越小，但它们本质上与几个世纪前的相机“祖先”们没有差别。近年来超表面光学技术的诞生又加速了相机的微型化进程，通过半导体工艺制作的镜头有望颠覆我们对相机的认识。
微型相机在监测人体健康和实现超小型机器人传感方面有很大潜力，但以往的微型相机视场小，成像畸变严重，捕捉全光谱可见光的能力有限。普林斯顿大学Felix Heide带领研究团队制作出了一款微型照相机，完成了光学表面和产生图像的信号处理算法的集成设计。其镜头部分只有几百微米，跟一粒粗盐差不多。研究人员使用该款相机拍摄出了清晰的全彩色图像，成像质量并不逊色于与体积比它大50万倍的传统相机镜头。该相机系统基于超表面光学技术，每个超表面边长只有0.5毫米，上面布满了160万根圆柱形的纳米天线。每根纳米天线都具有特殊的形状，从而保证到达超表面的光能够精准地汇聚到传感器上。研究人员使用机器学习算法对传感器收集的光学信号进行处理，最终得到了清晰的成像，显著提升了微型相机在自然光下的成像性能，有望作为内窥镜应用于临床诊断和疾病治疗。研究成果以Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging为题发表在《Nature Communications》上。
【微型相机结构与制作】
通过半导体技术制作的光学元件(Meta-Optic)，可以替代传统的镜头，但体积更小，直径只有500μm，上面分布着数以万计的纳米氮化硅柱，能够将光线汇聚在距它1mm的传感器上。具体的制作方法如下：先通过等离子体增强化学气相沉积法在双面抛光的熔融石英镜片上沉积705nm的氮化硅，得到器件层。然后旋涂ZEP 520A抗蚀剂并溅射厚8nm的金电荷耗散层。接着使用JEOL JBX6300FS电子束光刻系统在100kV，8nA条件下曝光 。接着沉积50nm的铝，并通过在二氯甲烷、丙酮和异丙醇中超声分离。然后，使用感应耦合等离子体蚀刻机使用CHF 3和SF 6化学蚀刻氮化硅层。剥离铝蚀刻掩模后，在芯片上涂覆AZ 1512光刻胶并绘制图案，然后进行铝蒸发和剥离，得到一个硬光阑阻挡杂散光。
【基于神经纳米光学的信号处理】
基于光学表面技术进行成像并不是什么新型黑科技，成熟的半导体技术可以大批量制作所需的微型透镜，但微相机的发展一直遭受制约，其挑战在于明确产生特定光学效果所需的图案，这需要基于机器学习的算法进行产生图像的信号处理。光学元件上每根纳米柱子都有着独特的几何结构，其功能类似于光学天线，改变每根柱子的设计是正确塑造整个光学波前的必要条件。本文首次在前端使用表面光学技术，在后端使用神经处理。共同设计超表面百万个特征的大小、形状和位置，以及检测后处理的参数，以达到预期的成像性能。在基于机器学习的算法的帮助下，研究人员开发的全彩色超表面相机生成了最高质量的图像和最宽的视野。
【成像效果】
如上图所示，所提出的神经纳米光学系统能够产生高质量的宽视场图像。与之前报道的许多微型相机相比，该系统在自然光下性能优越，不需要纯激光就能生成高质量的图像。对物体的重现能力并不逊色于传统的商业相机，除了边缘有些模糊之外，在图中可以看到清晰的水果、花朵和蜥蜴，而微型相机的尺寸却仅有传统相机的55万分之一。此外，相机的空间分辨率也显著提升了一个数量级，达到214 lp/mm。
【结论】
这项工作提出了一种使用神经纳米光学实现高质量、全彩色、宽 FOV 成像的方法。具体来说，所提出的学习成像方法使实验数据的重建误差相较于现有工作降低了一个数量级，从而使微型相机获得了与笨重的六透镜商用复合镜头相当的成像质量。通过对相机硬件和计算处理的联合设计，该系统可以使医疗机器人进行微创内窥镜检查，以诊断和治疗疾病，或者进行大脑成像。同时进一步降低具有成像功能机器人的尺寸和重量。大量的摄像机阵列可用于全场景传感，将表面变成摄像机。也就是说未来的手机可能不再需要突出的摄像头，整个手机背面将成为一个大的摄像系统。
文章来源：
Ethan Tseng et al, Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0
来源：高分子科学前沿
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