新型超薄摄像头：无需镜头也能拍照！

导读

最近，美国加州理工学院的研究人员研制出一种“无镜头”的摄像头技术，它采用了一种超薄的“光学相控阵”（Optical Phased Array），简称“OPA”，处理入射光线并且捕捉图像。

关键字

背景

众所周知，即使是目前世面上最轻薄的智能手机，其摄像头部分还是会稍稍凸起。手机制造商们为了提升摄像头的拍摄效果，会让镜头使用的透镜变得更多，摄像头模组也会变得更厚。但是，机身变轻薄是目前的设计潮流，所以摄像头部分就会显得凸出了。有些用户甚至认为，这样不仅影响美观，还容易招致磨损。

（图片来源于：苹果）

传统的摄像头很难做到完全的平面化，可是这并不影响科学家们让摄像头变薄的热情和创新探索。前不久，我在《微软研制曲面图像传感器：显著提升数码相机拍摄效果！》这篇文章中，对于数码相机的镜头部分有过一些介绍。

数码相机的镜头，一般是由一组独立的镜头元件（透镜）构成，它们沿着一条共同的轴排列。这么多不同形状和尺寸的透镜组合，目的就是为了减少像差，形成无视觉缺陷、完整而清晰的图像。这样导致镜头透镜的数目变多了，镜头的厚度也增加了。

（图片来源于：维基百科）

在之前的文章中，笔者介绍过美国微软研究院和HRL实验室的科学家们设计出一种巧妙的方案，它采用曲面图像传感器取代传统的平面图像传感器，减少镜头使用的透镜数量。

上述方案仅仅是减少了镜头数量。然而，去年11月份日立公司开发出一种完全“无镜头”的相机技术，让相机可以变得非常轻薄。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。

（图片来源于：日立）

创新

今天我要为大家介绍的摄像头创新方案，同样也是无需镜头就可以拍照。最近，美国加州理工学院的研究人员设计出一种超薄的“光学相控阵”（Optical Phased Array），简称“OPA”，取代原有的镜头透镜组，处理入射光线并且捕捉图像。

（图片来源于：加州理工学院）

相关论文于2017年3月份在线发表于《OSA 技术文摘》。

技术

一般来说，镜头的透镜是曲面的，它能改变入射光线的路径，使光线聚焦到胶片上，对于数码相机，也就是聚焦到图像传感器的感光元件上。然而，OPA工作方式却不同，它利用大型的光线接收器阵列，每一个接收器都能单独接收光线，且加入严格的延时（或者说是相移）控制。因此，摄像头能选择性地观察不同的方向，聚焦于不同的物体。

（图片来源于：加州理工学院）

接下来，让我们先来了解一项非常著名的技术：相控阵。它通常会用于无线通信和雷达，由一组独立的发射器组成。它们全部发出同样的信号波，而这些信号波之间的相互干涉，在一个方向增强，而在其他方向上抵消，因此一个阵列能创造出高度聚焦的信号束。通过交错安排阵列上各个点的传输时序，信号束可被操控到不同的方向上。

（图片来源于：维基百科）

作为新型摄像头基础的光学相控阵接收器，采用了与相控阵相似的原理，却是相反的工作方式。阵列上每个元件用于接收光波，光波在其他所有方向上都相互抵消，只有一个方向除外。在此方向上，光波相互增强产生聚焦的“注视”，且受电子控制。OSA论文的领导作者研究生Reza Fatemi 称：

“摄像头的工作方式有点类似通过一根细细的吸管，扫描观察整个视场。我们通过操纵光线，而不是移动机械物体，能够非常快速地成像。”

价值

去年，Hajimiri 的团队推出过一维的摄像头版本，它只能检测一条线上的图像，如同一个无需透镜的条形码阅读器，但没有机械运动部件。今年的进展是设计出了首个能够完整成像的二维阵列。这种无透镜的二维摄像头，具有64个光线接收器，组成8乘8的网格阵列。

这项技术有一个缺点，就是摄像头生成的图像分辨率较低。我们参照一下实验中研究人员对于目标进行成像的简单图片，由此可以看出成像的物体还是较简单的，分辨率应该也较低。

（图片来源于：加州理工学院）

（图片来源于：加州理工学院）

但是，该系统帮助科研人员重新认识了摄像头技术，并且提供了一种概念验证性的设计，有了开拓性的这一步，以后这项技术有望取得更长远的发展。

下面，我们看看研究人员都是怎么评价这项技术的：

OSA论文的合著者、研究生 Behrooz Abiri 认为：

“它的应用是无止境的。在如今的智能手机中，摄像头组件限制了你的手机能变多薄。这项技术一经拓展，将淘汰透镜组和厚的摄像头。它甚至能够影响天文学，带来地面上或者太空中的超轻、超薄、巨大的平面望远镜。”

美国加州理工学院教授、相关论文的首席研究员 Ali Hajimiri 说：

“在这里，如同生活中的大多数其他事物，时机就是一切。我们的新系统让你可以通过飞秒（一千万亿分之一秒）的精度控制时序，随时选择性地观察你想看的方向，和你面前图片很小的部分。”

“我们已设计出集成硅光学元件的单一薄层，它可以模仿数码摄像头的镜头和传感器，减少数码摄像头的厚度和成本。它不仅可以模仿常规镜头，而且还可以即时从鱼眼模式切换到长焦模式，只需简单调整接收光线的阵列就可以。”

“利用一层纸薄的低功耗硅光学元件，无需任何机械运转、透镜或者镜子，电子地控制摄像头所有的光学特性，为成像设备开辟了一片新天地，使它们更像墙纸、百叶窗或者是可穿戴的织物。”

未来

下一步，团队将致力于通过设计芯片，使得接收器变得更大，同时具有更高的分辨率和灵敏度，从而进一步拓展这种摄像头的研发。

参考资料

【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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