新型超薄攝像頭：無需鏡頭也能拍照！

導讀

最近，美國加州理工學院的研究人員研製出一種「無鏡頭」的攝像頭技術，它採用了一種超薄的「光學相控陣」（Optical Phased Array），簡稱「OPA」，處理入射光線並且捕捉圖像。

關鍵字

攝像頭、光學、成像

背景

眾所周知，即使是目前世面上最輕薄的智能手機，其攝像頭部分還是會稍稍凸起。手機製造商們為了提升攝像頭的拍攝效果，會讓鏡頭使用的透鏡變得更多，攝像頭模組也會變得更厚。但是，機身變輕薄是目前的設計潮流，所以攝像頭部分就會顯得凸出了。有些用戶甚至認為，這樣不僅影響美觀，還容易招致磨損。

（圖片來源於：蘋果）

傳統的攝像頭很難做到完全的平面化，可是這並不影響科學家們讓攝像頭變薄的熱情和創新探索。前不久，我在《微軟研製曲面圖像感測器：顯著提升數碼相機拍攝效果！》這篇文章中，對於數碼相機的鏡頭部分有過一些介紹。

數碼相機的鏡頭，一般是由一組獨立的鏡頭元件（透鏡）構成，它們沿著一條共同的軸排列。這麼多不同形狀和尺寸的透鏡組合，目的就是為了減少像差，形成無視覺缺陷、完整而清晰的圖像。這樣導致鏡頭透鏡的數目變多了，鏡頭的厚度也增加了。

（圖片來源於：維基百科）

在之前的文章中，筆者介紹過美國微軟研究院和HRL實驗室的科學家們設計出一種巧妙的方案，它採用曲面圖像感測器取代傳統的平面圖像感測器，減少鏡頭使用的透鏡數量。

上述方案僅僅是減少了鏡頭數量。然而，去年11月份日立公司開發出一種完全「無鏡頭」的相機技術，讓相機可以變得非常輕薄。其核心技術點就是採用摩爾紋原理的成像技術，並且在拍攝後調整影像的對焦。

（圖片來源於：日立）

創新

今天我要為大家介紹的攝像頭創新方案，同樣也是無需鏡頭就可以拍照。最近，美國加州理工學院的研究人員設計出一種超薄的「光學相控陣」（Optical Phased Array），簡稱「OPA」，取代原有的鏡頭透鏡組，處理入射光線並且捕捉圖像。

（圖片來源於：加州理工學院）

相關論文於2017年3月份在線發表於《OSA 技術文摘》。

技術

一般來說，鏡頭的透鏡是曲面的，它能改變入射光線的路徑，使光線聚焦到膠片上，對於數碼相機，也就是聚焦到圖像感測器的感光元件上。然而，OPA工作方式卻不同，它利用大型的光線接收器陣列，每一個接收器都能單獨接收光線，且加入嚴格的延時（或者說是相移）控制。因此，攝像頭能選擇性地觀察不同的方向，聚焦於不同的物體。

（圖片來源於：加州理工學院）

接下來，讓我們先來了解一項非常著名的技術：相控陣。它通常會用於無線通信和雷達，由一組獨立的發射器組成。它們全部發出同樣的信號波，而這些信號波之間的相互干涉，在一個方向增強，而在其他方向上抵消，因此一個陣列能創造出高度聚焦的信號束。通過交錯安排陣列上各個點的傳輸時序，信號束可被操控到不同的方向上。

（圖片來源於：維基百科）

作為新型攝像頭基礎的光學相控陣接收器，採用了與相控陣相似的原理，卻是相反的工作方式。陣列上每個元件用於接收光波，光波在其他所有方向上都相互抵消，只有一個方向除外。在此方向上，光波相互增強產生聚焦的「注視」，且受電子控制。OSA論文的領導作者研究生Reza Fatemi 稱：

「攝像頭的工作方式有點類似通過一根細細的吸管，掃描觀察整個視場。我們通過操縱光線，而不是移動機械物體，能夠非常快速地成像。」

價值

去年，Hajimiri 的團隊推出過一維的攝像頭版本，它只能檢測一條線上的圖像，如同一個無需透鏡的條形碼閱讀器，但沒有機械運動部件。今年的進展是設計出了首個能夠完整成像的二維陣列。這種無透鏡的二維攝像頭，具有64個光線接收器，組成8乘8的網格陣列。

這項技術有一個缺點，就是攝像頭生成的圖像解析度較低。我們參照一下實驗中研究人員對於目標進行成像的簡單圖片，由此可以看出成像的物體還是較簡單的，解析度應該也較低。

（圖片來源於：加州理工學院）

（圖片來源於：加州理工學院）

但是，該系統幫助科研人員重新認識了攝像頭技術，並且提供了一種概念驗證性的設計，有了開拓性的這一步，以後這項技術有望取得更長遠的發展。

下面，我們看看研究人員都是怎麼評價這項技術的：

OSA論文的合著者、研究生 Behrooz Abiri 認為：

「它的應用是無止境的。在如今的智能手機中，攝像頭組件限制了你的手機能變多薄。這項技術一經拓展，將淘汰透鏡組和厚的攝像頭。它甚至能夠影響天文學，帶來地面上或者太空中的超輕、超薄、巨大的平面望遠鏡。」

美國加州理工學院教授、相關論文的首席研究員 Ali Hajimiri 說：

「在這裡，如同生活中的大多數其他事物，時機就是一切。我們的新系統讓你可以通過飛秒（一千萬億分之一秒）的精度控制時序，隨時選擇性地觀察你想看的方向，和你面前圖片很小的部分。」

「我們已設計出集成硅光學元件的單一薄層，它可以模仿數碼攝像頭的鏡頭和感測器，減少數碼攝像頭的厚度和成本。它不僅可以模仿常規鏡頭，而且還可以即時從魚眼模式切換到長焦模式，只需簡單調整接收光線的陣列就可以。」

「利用一層紙薄的低功耗硅光學元件，無需任何機械運轉、透鏡或者鏡子，電子地控制攝像頭所有的光學特性，為成像設備開闢了一片新天地，使它們更像牆紙、百葉窗或者是可穿戴的織物。」

未來

下一步，團隊將致力於通過設計晶元，使得接收器變得更大，同時具有更高的解析度和靈敏度，從而進一步拓展這種攝像頭的研發。

參考資料

【1】http://www.caltech.edu/news/ultra-thin-camera-creates-images-without-lenses-78731

【2】Reza Fatemi, Behrooz Abiri, Ali Hajimiri. An 8x8 Heterodyne Lens-less OPA Camera. OSA Technical Digest, 2017 DOI: 10.1364/CLEO_AT.2017.JW2A.9

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