新加坡南洋理工大学开发出“无镜头”的彩色成像技术！

导读

新加坡南洋理工大学的科学家们开发出一种新型摄像头技术，无需镜头和滤色镜，就可以拍出清晰的彩色图像。

背景

传统的成像系统，例如智能手机和数码相机，是采用由玻璃或者塑胶制成的透镜捕捉光线，并将光线引导到滤色镜和摄像头传感器上，从而获取清晰的彩色图像。然而为了纠正像差，形成无缺陷、清晰、完整的图像，镜头部分往往需要由一系列的透镜组合而成。

（图片来源：维基百科）

（图片来源：苹果公司）

这么多的透镜占据了相对较大的空间，摄像头成为智能手机等数码产品身上最凸出的部分，不仅影响产品美观，同时也容易招致损伤。此外，镜头需要经过紧密制造加工，价格也会变得很昂贵。

然而，科技创新为我们燃起了新希望。“无镜头”的成像技术，让我们看到了智能手机和数码相机等成像设备中的镜头被取代的美好前景。接下来，让我们来看几个典型案例：

1）日本日立公司开发的完全“无镜头”的相机技术，其核心技术点就是采用摩尔纹原理的成像技术，并且在拍摄后调整影像的对焦。

（图片来源：日立）

2）美国加州理工学院开发的超薄“光学相控阵”（Optical Phased Array），取代原有的透镜组，处理入射光线并且捕捉图像。

（图片来源：加州理工学院）

3）美国莱斯大学开发的“无镜头”的超薄荧光显微镜“FlatScope”。

（图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学）

创新

今天，我再为大家介绍一项“无镜头”的成像技术。新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家们开发出一种新型摄像头技术，无需镜头和滤色镜，就可以拍出清晰的彩色图像。

（图片来源：南洋理工大学）

团队受到了 NTUitive 和 LUX Photonics Consortium 的支持，并且受到了业内人士和潜在采用者的高度关注，期望在视力纠正和化学感知领域继续开发这项技术。这项创新刊登在2017年10月《Optica 》期刊的封面上。

研究人员已通过新加坡南洋理工大学创新中心（NTUitive）为这项新技术申请了专利，研究团队也期望寻找工业合作伙伴，将这项技术用于现实世界的应用中。

NTU 电气与电子工程学院助理教授、这项研究领头人 Steve Cuong Dang和他的研究人员 Sujit Kumar Sahoo 博士、Tang Dongliang 博士，花了一年时间进行了这个跨学科项目的研发。

（图片来源：南洋理工大学）

技术

科学家们只采用了一片毛玻璃和一个单色传感器，就制造出一幅多色彩的图像。他们通过“逆向工程”，处理毛玻璃粗糙不平整的半透明表面散射的光线，获取到投射在它上面的原始图像。

（图片来源：参考资料【2】）

因为不同波长的光线被毛玻璃散射的情况不同，NTU 科学家们设计了一个重构图像的算法。为此，他们设计了与每种波长的光线相关的“散斑图案”（'speckle patterns）库，这些光线也包含那些对于肉眼不可见的红外线和紫外线。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

这项创新通过毛玻璃取代透镜和滤色镜，有望应用于小型摄像头和智能手机，让它们更加轻薄。

Dang 教授表示，他们的新型成像技术将帮助改善生物医学和科学应用中的成像，以及为其他产业打开新的大门。Dang 教授解释道：“我们的技术也可以重构对于肉眼不可见的多个波段的光线，例如红外线和紫外线，它们会用于医学、监控和天体物理学，也可以用于重构在微观水平上拍摄的图像。”

“我们的多光谱成像技术使用单色（黑和白）摄像头，外加一片简单的毛玻璃，相对于市场上现有的多光谱摄像头来说非常经济实惠。”

“我们摄像头的独特功能是，它可以捕捉任何频谱范围的光线，不像市场上现有的摄像头是预先设置好的。它也很少像传统摄像头一样受到光学对准问题的影响，因为它不含活动部件和聚焦光学元件。”

NTU 电气和电子工程学院主席 Yoon Soon Fatt 教授表示，这是包含物理学和光子学的跨学科研究的创新成果。Yoon 教授表示，“光线与物体的交互是如何随着波长变化而变化，所以我们的科学家必须创造性的思考问题，设计出一个不限于典型的红、绿、蓝光谱的摄像头。对于采用先进光子学研究改善诊断、感知和监控方面的技术来说，这项研究是一个典型。”

论文的第一作者 Sahoo 博士表示：“我们的技术适用于其他许多应用领域。例如，它可以用于食品安全，某人可以拍一张有关水果或者肉类的特定光谱照片，寻找与导致腐败的化学或者细菌活动相关的斑点。”

研究团队采用这项技术区分两杯不同的苹果汁，它们对于肉眼来说没有什么区别，但是不同的光谱却可以表示出它们在成分或者新鲜程度上的区别。

这项技术也可以用于刑侦学，当摄像头调谐到可以捕捉宽频谱时，包括近红外线和紫外线时，也可以揭示出寻常环境下不可见的线索和证据。

这种多光谱成像技术结合了视觉技术和光谱学的优势，只需一幅快照图片和一个计算算法，就可以在非常高的速度下进行多项分析。

关键字

摄像头、成像、镜头、光学、传感器

参考资料

【1】http://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=426edb4e-b38d-410a-9f53-030d4cd156c3

【2】Sujit Kumar Sahoo, Dongliang Tang, Cuong Dang. Single-shot multispectral imaging with a monochromatic camera. Optica, 2017; 4 (10): 1209 DOI: 10.1364/OPTICA.4.001209