（文章來(lái)源：DeepTech）

或許在不久的將來(lái)，我們?cè)僖矝](méi)有機(jī)會(huì)吐槽 iPhone 的 “浴霸 N 攝” 有多丑，也不會(huì)再羨慕那些會(huì)玩單反的攝影達(dá)人有多牛。因?yàn)槟菚r(shí)的手機(jī)更輕、更美觀，任何人都可以輕易拍出專(zhuān)業(yè)級(jí)別的照片和影像作品。“多鏡頭相機(jī)” 將不復(fù)存在，未來(lái)的相機(jī)將徹底刷新我們的認(rèn)知。而這一切的可能性，都與一枚小小的平面鏡片有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。

日前，由美國(guó)猶他大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授 Rajesh Menon 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）的高影響力研究雜志 Optica 上發(fā)表的一篇論文中，就詳細(xì)描述了一種名為多級(jí)衍射鏡片（Multi-level Diffractive Lens，MDL）的新型平面鏡片。研究團(tuán)隊(duì)利用厚度僅約為千分之一英寸（0.0254 毫米）的單一平面鏡片 MDL，創(chuàng)造了一種不需要對(duì)焦的相機(jī)。相比于常規(guī)相機(jī)，比如大多數(shù)智能手機(jī)相機(jī)，這一相機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)研究論文描述，MDL 在大幅降低相機(jī)和其他成像系統(tǒng)的重量、復(fù)雜性和成本的同時(shí)，還能為它們賦予新的功能。此外，可以將 MDL 用于實(shí)現(xiàn)更薄的智能手機(jī)相機(jī)，還可以用于內(nèi)窺鏡等生物醫(yī)學(xué)成像的改進(jìn)，以及為汽車(chē)制造更小巧的數(shù)碼相機(jī)。MDL 由納米結(jié)構(gòu)材料制成，而并非玻璃或者塑料，這就使得它具有控制光線傳播方式的重要光學(xué)特性。

為此，DeepTech 采訪到了這篇研究論文的通訊作者 Rajesh Menon。他向我們?cè)敿?xì)介紹了這項(xiàng)發(fā)明的獨(dú)特之處與潛在應(yīng)用場(chǎng)景。Rajesh Menon 對(duì) DeepTech 表示，除了用于攝影，MDL 還有許多其他有趣的應(yīng)用，比如為激光雷達(dá)創(chuàng)造高效的照明，以及用于內(nèi)窺鏡、無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星等。常規(guī)相機(jī)，無(wú)論是用于智能手機(jī)，還是用于顯微鏡，都需要通過(guò)對(duì)焦的方式來(lái)保證物體的細(xì)節(jié)清晰呈現(xiàn)，如果存在多個(gè)與相機(jī)距離不同的物體，就需要分別對(duì)每個(gè)物體進(jìn)行對(duì)焦。

為了聚焦光線，常規(guī)鏡片會(huì)將平行光波轉(zhuǎn)化為球面波，從而將其匯聚成一個(gè)焦點(diǎn)。在這里，不得不提 “像差” 這個(gè)概念，像差是指實(shí)際成像與根據(jù)單透鏡理論確定的理想成像的偏離。一般情況下，在照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡和其他光學(xué)儀器中，可以通過(guò)多個(gè)鏡片的組合來(lái)降低像差。在常規(guī)相機(jī)中，通常是 6 個(gè)或 7 個(gè)透鏡鏡片。在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，只有平面反射鏡在理論上才具有理想成像的性質(zhì)。而目前我們使用的光學(xué)儀器，大多是通過(guò)多個(gè)透鏡的組合聚焦成像來(lái)保證接近理想成像。Rajesh Menon 表示，單一 MDL 可以達(dá)到甚至超過(guò)多個(gè)常規(guī)鏡頭疊加使用的效果。

MDL 可以在很大的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的焦點(diǎn)，而不像常規(guī)鏡片那樣只能在單一的距離上實(shí)現(xiàn)聚焦。這就意味著，鏡片遠(yuǎn)處不同距離的物體發(fā)出的光線都可以被聚焦到單一圖像平面之上的對(duì)應(yīng)圖像點(diǎn)。單一 MDL 可以在從藍(lán)色（450 納米）到長(zhǎng)波紅外（15 微米）的工作帶寬上形成圖像。對(duì)此，Rajesh Meno 表示，“盡管只在一個(gè)范圍內(nèi)才會(huì)有效，但事實(shí)證明，這個(gè)范圍比常規(guī)鏡片對(duì)應(yīng)的范圍大幾個(gè)數(shù)量級(jí)?！?/p>

此外，常規(guī)相機(jī)需要使用多個(gè)鏡片來(lái)同時(shí)保持對(duì)不同顏色光線的對(duì)焦，MDL 消除了這一需求，允許任何相機(jī)同時(shí)對(duì)所有物體進(jìn)行對(duì)焦。DeepTech 了解到，他們甚至可以創(chuàng)建一種可聚焦所有顏色光線的單一平面鏡片，從而極大地簡(jiǎn)化相機(jī)的設(shè)計(jì)。比如，由于厚度的減少，MDL 有可能減少相機(jī)的整體厚度，并且 MDL 可以被用來(lái)設(shè)計(jì)成具有超大范圍工作帶寬的成像系統(tǒng)，從而取代多個(gè)相機(jī)，這對(duì)包括手機(jī)在內(nèi)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品都很重要。

在選擇了獲得廣泛景深的最佳鏡片設(shè)計(jì)后，研究人員使用納米制造技術(shù)制作了一個(gè) MDL，并用紅外線和相對(duì)較低的數(shù)值孔徑（一種表示透鏡能接受光線的角度范圍的數(shù)字）演示了新鏡片。實(shí)驗(yàn)效果符合預(yù)期，MDL 獲得了比等效的常規(guī)鏡片大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的景深。他們計(jì)劃將鏡片擴(kuò)展到更大的數(shù)值孔徑，并在全部可見(jiàn)光譜的情況下使用。

那么，使用 MDL 的拍照設(shè)備能否達(dá)到如今佳能、索尼、尼康等單反相機(jī)的拍照水準(zhǔn)？對(duì)此，Rajesh Menon 表示，“沒(méi)有什么根本的東西可以限制 MDL 生成達(dá)到高端商業(yè)鏡片水平的圖像。隨著設(shè)計(jì)和制造方面產(chǎn)生足夠多的進(jìn)步，我們不僅能夠滿(mǎn)足甚至可能會(huì)超過(guò)最好的常規(guī)鏡頭系統(tǒng)的性能。MDL 可以具有多個(gè)常規(guī)鏡頭的整體性能，從而消除了相機(jī)精密裝配的要求。”

具有極致景深的 MDL，可以產(chǎn)生一個(gè)在很長(zhǎng)距離內(nèi)保持聚焦的光束。這種光束可以被用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的照明。激光雷達(dá)系統(tǒng)整體效果是好是壞，工作現(xiàn)場(chǎng)的照明效率是一個(gè)關(guān)鍵的限制因素。在內(nèi)窺鏡檢查中，MDL 的優(yōu)點(diǎn)是非常薄，因此可以很容易地嵌入小體積醫(yī)療器材內(nèi)。

此外，超薄 MDL 可以取代相對(duì)更厚、更笨重的顯微物鏡，同時(shí)提供更好的分辨率。MDL 在機(jī)載攝像機(jī)場(chǎng)景下也有顯著的應(yīng)用，比如應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星和其他航空航天領(lǐng)域。甚至，有助于開(kāi)發(fā)出今天不存在的應(yīng)用。基于團(tuán)隊(duì)的研究成果，Rajesh Menon 認(rèn)為，與光學(xué)類(lèi)教科書(shū)中講述的內(nèi)容明顯不同，研究表明，光傳輸受理想鏡片（一種被稱(chēng)為瞳孔函數(shù)的概念）影響的方式不止一種。這就為鏡片瞳孔函數(shù)打開(kāi)了無(wú)限的可能性，研究團(tuán)隊(duì)在其中找到了一個(gè)可以達(dá)到極致深度聚焦的方式。

“這項(xiàng)研究說(shuō)明，摒棄傳統(tǒng)觀念可以使之前被認(rèn)為不可能的事情成為可能，它很好地提醒人們要對(duì)歷史保持質(zhì)疑，這是個(gè)很好的例子。” Rajesh Menon 說(shuō)。顯然，并不是所有實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品都可以暢銷(xiāo)市場(chǎng)。Rajesh Menon 認(rèn)為，在進(jìn)行商業(yè)化之前，他們必須確保 MDL 可以被批量生產(chǎn)。

“從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)世界非常有挑戰(zhàn)性，但我們有過(guò)成功的經(jīng)驗(yàn)。由于這是一種全新的鏡片思維方式，我們需要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)這些。幸運(yùn)的是，我們得到了美國(guó)的聯(lián)邦資助機(jī)構(gòu)以及產(chǎn)業(yè)合作方的大力支持，這些機(jī)構(gòu)正在幫助我們減輕相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。此外，已經(jīng)在進(jìn)行幾個(gè)商業(yè)項(xiàng)目，我們也非常愿意與對(duì) MDL 感興趣的團(tuán)體合作?！?/p>

針對(duì) MDL 目前是否存在技術(shù)缺陷這一問(wèn)題，Rajesh Menon 表示，“我們?nèi)匀恍枰ㄟ^(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)提高圖像的質(zhì)量，更重要的是可以在市場(chǎng)上實(shí)際制作出這些鏡片。此外，我們也要繼續(xù)努力使我們的 MDL 與常規(guī)相機(jī)中現(xiàn)有的圖像處理相兼容。”

未來(lái)的世界充滿(mǎn)了無(wú)限的可能，而科學(xué)是幫助我們自由遐想的最好工具。無(wú)論是 MDL，還是未來(lái)出現(xiàn)的其他光學(xué)產(chǎn)品，我們期待這些技術(shù)和產(chǎn)品，可以幫助我們更好地看到這個(gè)世界的真實(shí)影像。也許，未來(lái)真的沒(méi)有 “浴霸 N 攝” 了。
（責(zé)任編輯：fqj）