国外研究团队研发超平光学元件 可以录制高质量彩色图像和视频

盖世汽车讯 摄像头无处不在。两个多世纪以来，这些设备日益普及，其实用性也日益凸显，已成为现代生活中不可或缺的一部分。如今，摄像头的应用范围十分广泛，从智能手机、笔记本电脑到安防监控系统，再到汽车、飞机和用于高空拍摄地球图像的卫星，无所不包。随着机械、光学和电子产品小型化的持续发展，科学家和工程师们正在努力为这些技术打造更小、更轻、更节能的摄像头。

图片来源：普林斯顿大学

超平面光学器件已被提出作为解决这一工程难题的解决方案，因为它们可以替代目前摄像头中相对笨重的镜头。许多超平面光学器件（例如超透镜）并非采用玻璃或塑料制成的曲面透镜，而是使用一层薄而平的微观纳米结构来操控光线，这使得它们比传统摄像头镜头小数百倍甚至数千倍，重量也轻得多。

但有一个大问题亟待解决。当光学元件具有大光圈（镜头中允许光线进入摄像头的开口）时，一种被称为“色差”的光学畸变会限制超平面光学元件产生高质量彩色图像的能力。大光圈可以增加光通量，从而产生与当今大多数摄像头类似的图像。多年来，超平面光学元件的这一根本限制一直被许多人视为不可逾越的障碍。直到现在，情况才有所改变。

据外媒报道，华盛顿大学电子与计算机工程系（UW ECE）和普林斯顿大学（Princeton University）计算机科学系的研究人员取得了一项开创性的成果，该研究团队证明搭载大光圈超平面光学元件的摄像头可以录制与传统摄像头镜头相当的高质量彩色图像和视频。这项令人瞩目的成就挑战了人们普遍认为的清晰全彩成像不可能仅使用单个大光圈超透镜的观念。相关研究论文《超越大光圈宽带纳米光学元件的光谱带宽》发表在期刊《自然-通讯（Nature Communications）》上。

研究团队开发的超平面光学元件是一种厚度仅为1微米的超透镜。当其固定在支撑基板上时，厚度仍然只有300微米，大约相当于四根并排的人类头发的宽度。总的来说，它比标准折射透镜小数百倍，也薄数百倍。因此，当这种超透镜取代传统的摄像头镜头或透镜组时，可以显著节省体积、重量并延长设备电池寿命。

这种超平面光学元件几乎可以应用于所有摄像头，尤其适用于任何受尺寸或重量限制的成像系统。智能手机和笔记本电脑摄像头是这种超透镜最易想到的应用场景，但它还可以应用于许多其他领域，例如需要轻量化成像系统的汽车、无人机或卫星。即使是内窥镜和血管镜等医疗器械，也可以受益于这种超平面光学元件所带来的更小巧的系统，使医生能够更深入地观察身体内部，从而诊断和治疗疾病。

Majumdar、Heide及其研究团队在过去几年中在光学领域取得了一些重大进展，例如将摄像头缩小到盐粒大小，同时仍能捕捉清晰锐利的图像，以及设计出能够以光速识别图像的摄像头。Majumdar的实验室团队在重塑智能手机摄像头和其他设备的光学系统方面也拥有丰富的经验。