導讀
新加坡南洋理工大學的科學家們開發出一種新型攝像頭技術，無需鏡頭和濾色鏡，就可以拍出清晰的彩色影象。
背景
傳統的成像系統，例如智慧手機和數碼相機，是採用由玻璃或者塑膠製成的透鏡捕捉光線，並將光線引導到濾色鏡和攝像頭感測器上，從而獲取清晰的彩色影象。然而為了糾正像差，形成無缺陷、清晰、完整的影象，鏡頭部分往往需要由一系列的透鏡組合而成。
（圖片來源：維基百科）
（圖片來源：蘋果公司）
這麼多的透鏡佔據了相對較大的空間，攝像頭成為智慧手機等數碼產品身上最凸出的部分，不僅影響產品美觀，同時也容易招致損傷。此外，鏡頭需要經過緊密製造加工，價格也會變得很昂貴。
然而，科技創新為我們燃起了新希望。“無鏡頭”的成像技術，讓我們看到了智慧手機和數碼相機等成像裝置中的鏡頭被取代的美好前景。接下來，讓我們來看幾個典型案例：
1）日本日立公司開發的完全“無鏡頭”的相機技術，其核心技術點就是採用摩爾紋原理的成像技術，並且在拍攝後調整影像的對焦。
（圖片來源：日立）
2）美國加州理工學院開發的超薄“光學相控陣”（Optical Phased Array），取代原有的透鏡組，處理入射光線並且捕捉影象。
（圖片來源：加州理工學院）
3）美國萊斯大學開發的“無鏡頭”的超薄熒光顯微鏡“FlatScope”。
（圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學）
創新
今天，我再為大家介紹一項“無鏡頭”的成像技術。新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家們開發出一種新型攝像頭技術，無需鏡頭和濾色鏡，就可以拍出清晰的彩色影象。
（圖片來源：南洋理工大學）
團隊受到了 NTUitive 和 LUX Photonics Consortium 的支援，並且受到了業內人士和潛在採用者的高度關注，期望在視力糾正和化學感知領域繼續開發這項技術。這項創新刊登在2017年10月《Optica 》期刊的封面上。
研究人員已透過新加坡南洋理工大學創新中心（NTUitive）為這項新技術申請了專利，研究團隊也期望尋找工業合作伙伴，將這項技術用於現實世界的應用中。
NTU 電氣與電子工程學院助理教授、這項研究領頭人 Steve Cuong Dang和他的研究人員 Sujit Kumar Sahoo 博士、Tang Dongliang 博士，花了一年時間進行了這個跨學科專案的研發。
（圖片來源：南洋理工大學）
技術
科學家們只採用了一片毛玻璃和一個單色感測器，就製造出一幅多色彩的影象。他們透過“逆向工程”，處理毛玻璃粗糙不平整的半透明表面散射的光線，獲取到投射在它上面的原始影象。
（圖片來源：參考資料【2】）
因為不同波長的光線被毛玻璃散射的情況不同，NTU 科學家們設計了一個重構影象的演算法。為此，他們設計了與每種波長的光線相關的“散斑圖案”（‘speckle patterns）庫，這些光線也包含那些對於肉眼不可見的紅外線和紫外線。
（圖片來源：參考資料【2】）
價值
這項創新透過毛玻璃取代透鏡和濾色鏡，有望應用於小型攝像頭和智慧手機，讓它們更加輕薄。
Dang 教授表示，他們的新型成像技術將幫助改善生物醫學和科學應用中的成像，以及為其他產業開啟新的大門。Dang 教授解釋道：“我們的技術也可以重構對於肉眼不可見的多個波段的光線，例如紅外線和紫外線，它們會用於醫學、監控和天體物理學，也可以用於重構在微觀水平上拍攝的影象。”
“我們的多光譜成像技術使用單色（黑和白）攝像頭，外加一片簡單的毛玻璃，相對於市場上現有的多光譜攝像頭來說非常經濟實惠。”
“我們攝像頭的獨特功能是，它可以捕捉任何頻譜範圍的光線，不像市場上現有的攝像頭是預先設定好的。它也很少像傳統攝像頭一樣受到光學對準問題的影響，因為它不含活動部件和聚焦光學元件。”
NTU 電氣和電子工程學院主席 Yoon Soon Fatt 教授表示，這是包含物理學和光子學的跨學科研究的創新成果。Yoon 教授表示，“光線與物體的互動是如何隨著波長變化而變化，所以我們的科學家必須創造性的思考問題，設計出一個不限於典型的紅、綠、藍光譜的攝像頭。對於採用先進光子學研究改善診斷、感知和監控方面的技術來說，這項研究是一個典型。”
論文的第一作者 Sahoo 博士表示：“我們的技術適用於其他許多應用領域。例如，它可以用於食品安全，某人可以拍一張有關水果或者肉類的特定光譜照片，尋找與導致腐敗的化學或者細菌活動相關的斑點。”
研究團隊採用這項技術區分兩杯不同的蘋果汁，它們對於肉眼來說沒有什麼區別，但是不同的光譜卻可以表示出它們在成分或者新鮮程度上的區別。
這項技術也可以用於刑偵學，當攝像頭調諧到可以捕捉寬頻譜時，包括近紅外線和紫外線時，也可以揭示出尋常環境下不可見的線索和證據。
這種多光譜成像技術結合了視覺技術和光譜學的優勢，只需一幅快照圖片和一個計算演算法，就可以在非常高的速度下進行多項分析。
關鍵字
攝像頭、成像、鏡頭、光學、感測器
參考資料
【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