（文章來源：DeepTech）

或許在不久的將來，我們再也沒有機會吐槽 iPhone 的 “浴霸 N 攝” 有多丑，也不會再羨慕那些會玩單反的攝影達人有多牛。因為那時的手機更輕、更美觀，任何人都可以輕易拍出專業級別的照片和影像作品。“多鏡頭相機” 將不復存在，未來的相機將徹底刷新我們的認知。而這一切的可能性，都與一枚小小的平面鏡片有著千絲萬縷的關系。

日前，由美國猶他大學電氣與計算機工程副教授 Rajesh Menon 領導的研究團隊，在美國光學學會（OSA）的高影響力研究雜志 Optica 上發表的一篇論文中，就詳細描述了一種名為多級衍射鏡片（Multi-level Diffractive Lens，MDL）的新型平面鏡片。研究團隊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，創造了一種不需要對焦的相機。相比于常規相機，比如大多數智能手機相機，這一相機具有很大的優勢。

據研究論文描述，MDL 在大幅降低相機和其他成像系統的重量、復雜性和成本的同時，還能為它們賦予新的功能。此外，可以將 MDL 用于實現更薄的智能手機相機，還可以用于內窺鏡等生物醫學成像的改進，以及為汽車制造更小巧的數碼相機。MDL 由納米結構材料制成，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。他向我們詳細介紹了這項發明的獨特之處與潛在應用場景。Rajesh Menon 對 DeepTech 表示，除了用于攝影，MDL 還有許多其他有趣的應用，比如為激光雷達創造高效的照明，以及用于內窺鏡、無人機和衛星等。常規相機，無論是用于智能手機，還是用于顯微鏡，都需要通過對焦的方式來保證物體的細節清晰呈現，如果存在多個與相機距離不同的物體，就需要分別對每個物體進行對焦。

為了聚焦光線，常規鏡片會將平行光波轉化為球面波，從而將其匯聚成一個焦點。在這里，不得不提 “像差” 這個概念，像差是指實際成像與根據單透鏡理論確定的理想成像的偏離。一般情況下，在照相機、望遠鏡和其他光學儀器中，可以通過多個鏡片的組合來降低像差。在常規相機中，通常是 6 個或 7 個透鏡鏡片。在實際光學系統中，只有平面反射鏡在理論上才具有理想成像的性質。而目前我們使用的光學儀器，大多是通過多個透鏡的組合聚焦成像來保證接近理想成像。Rajesh Menon 表示，單一 MDL 可以達到甚至超過多個常規鏡頭疊加使用的效果。

MDL 可以在很大的距離范圍內產生連續的焦點，而不像常規鏡片那樣只能在單一的距離上實現聚焦。這就意味著，鏡片遠處不同距離的物體發出的光線都可以被聚焦到單一圖像平面之上的對應圖像點。單一 MDL 可以在從藍色（450 納米）到長波紅外（15 微米）的工作帶寬上形成圖像。對此，Rajesh Meno 表示，“盡管只在一個范圍內才會有效，但事實證明，這個范圍比常規鏡片對應的范圍大幾個數量級。”

此外，常規相機需要使用多個鏡片來同時保持對不同顏色光線的對焦，MDL 消除了這一需求，允許任何相機同時對所有物體進行對焦。DeepTech 了解到，他們甚至可以創建一種可聚焦所有顏色光線的單一平面鏡片，從而極大地簡化相機的設計。比如，由于厚度的減少，MDL 有可能減少相機的整體厚度，并且 MDL 可以被用來設計成具有超大范圍工作帶寬的成像系統，從而取代多個相機，這對包括手機在內的消費性電子產品都很重要。

在選擇了獲得廣泛景深的最佳鏡片設計后，研究人員使用納米制造技術制作了一個 MDL，并用紅外線和相對較低的數值孔徑（一種表示透鏡能接受光線的角度范圍的數字）演示了新鏡片。實驗效果符合預期，MDL 獲得了比等效的常規鏡片大幾個數量級的景深。他們計劃將鏡片擴展到更大的數值孔徑，并在全部可見光譜的情況下使用。

那么，使用 MDL 的拍照設備能否達到如今佳能、索尼、尼康等單反相機的拍照水準？對此，Rajesh Menon 表示，“沒有什么根本的東西可以限制 MDL 生成達到高端商業鏡片水平的圖像。隨著設計和制造方面產生足夠多的進步，我們不僅能夠滿足甚至可能會超過最好的常規鏡頭系統的性能。MDL 可以具有多個常規鏡頭的整體性能，從而消除了相機精密裝配的要求。”

具有極致景深的 MDL，可以產生一個在很長距離內保持聚焦的光束。這種光束可以被用于激光雷達系統的照明。激光雷達系統整體效果是好是壞，工作現場的照明效率是一個關鍵的限制因素。在內窺鏡檢查中，MDL 的優點是非常薄，因此可以很容易地嵌入小體積醫療器材內。

此外，超薄 MDL 可以取代相對更厚、更笨重的顯微物鏡，同時提供更好的分辨率。MDL 在機載攝像機場景下也有顯著的應用，比如應用于無人機、衛星和其他航空航天領域。甚至，有助于開發出今天不存在的應用。基于團隊的研究成果，Rajesh Menon 認為，與光學類教科書中講述的內容明顯不同，研究表明，光傳輸受理想鏡片（一種被稱為瞳孔函數的概念）影響的方式不止一種。這就為鏡片瞳孔函數打開了無限的可能性，研究團隊在其中找到了一個可以達到極致深度聚焦的方式。

“這項研究說明，摒棄傳統觀念可以使之前被認為不可能的事情成為可能，它很好地提醒人們要對歷史保持質疑，這是個很好的例子。” Rajesh Menon 說。顯然，并不是所有實驗室產品都可以暢銷市場。Rajesh Menon 認為，在進行商業化之前，他們必須確保 MDL 可以被批量生產。

“從實驗室到現實世界非常有挑戰性，但我們有過成功的經驗。由于這是一種全新的鏡片思維方式，我們需要創建設計和制造基礎設施來實現這些。幸運的是，我們得到了美國的聯邦資助機構以及產業合作方的大力支持，這些機構正在幫助我們減輕相關風險。此外，已經在進行幾個商業項目，我們也非常愿意與對 MDL 感興趣的團體合作。”

針對 MDL 目前是否存在技術缺陷這一問題，Rajesh Menon 表示，“我們仍然需要通過改進設計來提高圖像的質量，更重要的是可以在市場上實際制作出這些鏡片。此外，我們也要繼續努力使我們的 MDL 與常規相機中現有的圖像處理相兼容。”

未來的世界充滿了無限的可能，而科學是幫助我們自由遐想的最好工具。無論是 MDL，還是未來出現的其他光學產品，我們期待這些技術和產品，可以幫助我們更好地看到這個世界的真實影像。也許，未來真的沒有 “浴霸 N 攝” 了。
（責任編輯：fqj）