NIST开创了以自然为灵感的元透镜成像技术的先河

成像系统是当今获得大量研究和开发的硬件领域之一。在追求更好的智能手机摄像头或自动驾驶汽车的先进成像系统之间，成像硬件是一项动态而重要的技术。

最近，NIST的研究人员宣布了他们对一种基于金属透镜的新型成像透镜的研究，该透镜声称可以达到创纪录的景深。值得注意的是，这项新技术的灵感来自一个不太可能的来源：史前三叶虫。

 

NIST的研究人员声称，他们在创造最新的成像技术时受到了古代三叶虫的启发。图片由NIST提供

 

在这篇文章中，我们将讨论金属传感器，并仔细研究NIST的研究，以了解该技术及其对该领域的潜在影响。

 

用于更好的图像传感器和设备的Metalens

在光学工程中，最令人兴奋的发展技术之一是金属透镜。

超透镜是一种新型透镜技术，由放置在特制平面透镜表面的被称为“纳米天线”的纳米结构阵列组成。

在金属透镜内，纳米天线的设计方式使得它们可以选择性地诱导入射光的相位。简单地说，纳米天线允许金属透镜以特定的方式操纵和聚焦光，否则需要传统的折射透镜。

 

与传统的折射透镜（B）不同，金属透镜（C）使用纳米天线进行相位控制。图片由Engleberg等人提供

 

与传统的衍射透镜（CDL）相比，金属透镜有许多优点。一些关键的好处包括与CDL相比厚度减小，以及可调谐性：能够动态改变镜头的焦距和变焦调整。除此之外，金属团比CDL有更多的自由度，因为它们的纳米结构有无限的形式。

由于这些优势，金属套被誉为光学传感器和不同成像设备小型化的潜在前进道路。

 

灵感源自自然的相机

本周，美国国家标准与技术研究院的研究人员最近发表了一篇论文，介绍了一种用于成像解决方案的新型“创纪录”镜头，成为头条新闻。

如前所述，新镜头的灵感来自史前三叶虫，这种生物凭借复眼拥有令人难以置信的视力：眼睛由数千个独立的单元组成，而不是由一个更大的单元组成。

在他们的研究中，NIST的科学家试图模仿一种特定类型的三叶虫的视觉系统，这种三叶虫由两个透镜组成，这两个透镜以不同的角度弯曲光线，使这种生物在近距离和极远距离都能以同样的清晰度看到东西。

 

NIST的新型金属透镜声称可以在厘米或公里的范围内拍摄清晰的图像。图片由提供S.Kelley/美国国家标准与技术研究院

 

为了做到这一点，研究人员基于双焦点金属透镜阵列创建了一个微型相机，该阵列由蚀刻在平板玻璃中的数百万个纳米天线组成。这些纳米天线的形状和方向是将光均匀地聚焦在附近的物体上，并在更远的范围内寻找物体。

然后，研究人员将这种新的成像硬件与专门设计的多尺度卷积神经网络（CNN）相结合，以校正金属透镜引起的光学像差。CNN还用于锐化在双焦点相机焦距之间的距离处出现的任何接收到的图像。

 

NIST的摄像系统（a）和工作原理（b）。图片由Fan等人提供

 

纳米光子技术和计算摄影相结合的结果是，相机能够拍摄高质量的图像，这些图像在3厘米的距离上和在1.7公里的距离上一样清晰。

根据研究人员的说法，他们的研究结果代表了创纪录的景深（即相机可以拍摄清晰图像的距离）。

 

成像硬件的新方向

通过这项新的研究，NIST的科学家们做了许多重要的事情。

首先，通过他们的新相机，研究人员引入了新的、令人印象深刻的硬件，这些硬件可能会对计算机视觉等领域产生重要影响。除此之外，他们的工作至关重要，因为它显示了在机器学习和纳米光子学的交叉点上可能取得的有希望的结果。

随着成像硬件的不断开发和改进，NIST的这项新研究有望为该领域的未来开辟新的道路和方向。