一种新的镜头技术已准备好启动手机摄像头

2007 年第一款 iPhone 上的摄像头只有 2 兆像素。它只有一个后置摄像头;甚至没有前置自拍射击游戏。今天，您会在手机的正面和背面发现多个摄像头——其中一些带有高达 108 兆像素的传感器，就像三星Galaxy S21 Ultra上最大的摄像头一样。

但是，尽管智能手机相机的传感器尺寸和百万像素数量在过去十年中显着增加——更不用说计算摄影软件的改进了——但有助于拍摄照片的镜头从根本上保持不变。

一家名为Metalenz的新公司，今天从隐身模式中脱颖而出，正在寻求通过利用一种称为光学超表面的技术的单一平面镜头系统来颠覆智能手机相机。围绕这种新镜头技术构建的相机可以产生与传统镜头相同甚至更好质量的图像，收集更多光线以获得更亮的照片，甚至可以在手机中启用新形式的感应，同时占用更少的空间。

一个平面镜头

它是如何工作的?好吧，首先重要的是要了解当今手机相机镜头的工作原理。智能手机背面的成像系统可能有多个摄像头——最新的iPhone 12 Pro背面有三个摄像头——但每个摄像头都有多个镜头或镜头元件堆叠在一起。上述 iPhone 12 Pro 上的主摄像头传感器使用七个镜头元件。像 iPhone 这样的多镜头设计优于单镜头设置;当光线通过每个连续的镜头时，图像变得清晰和清晰。

“如今智能手机中的光学元件通常由 4 到 7 个镜片组成，”光学制造商蔡司的创新经理 Oliver Schindelbeck 说，蔡司以其高品质镜头而闻名。“如果您只有一个镜头元件，仅凭物理学原理，您就会在图像中产生畸变或色散等像差。”

更多的镜头允许制造商补偿不规则性，例如色差(当颜色出现在图像的边缘时)和镜头失真(当直线在照片中出现弯曲时)。但是，将多个镜头元件相互堆叠在一起需要在相机模块内部有更多的垂直空间。这是多年来智能手机上的摄像头“凸起”变得越来越大的众多原因之一。

“您想要在相机中装入的镜头元件越多，它需要的空间就越大，”辛德尔贝克说。凹凸尺寸的其他原因包括更大的图像传感器和更多带有变焦镜头的相机，这需要额外的空间。

随着时间的推移，像苹果这样的手机制造商增加了镜头元件的数量，而像三星这样的手机制造商现在正在折叠光学元件以制造“潜望镜”镜头以获得更大的变焦能力，但公司通常坚持使用久经考验的堆叠镜头元件系统。

“光学变得更加复杂，你添加了更多的透镜元件，你创造了强大的非球面元件来实现必要的空间缩小，但在过去的 10 年里，这个领域没有发生任何革命，”辛德尔贝克说。

介绍Metalenz

这就是 Metalenz 的用武之地。Metalenz 的设计没有使用堆叠在图像传感器上的塑料和玻璃透镜元件，而是使用构建在尺寸在 1x1 到 3x3 毫米之间的玻璃晶片上的单个透镜。在显微镜下仔细观察，您会看到纳米结构的宽度为人类头发的千分之一。这些纳米结构以一种纠正单镜头相机系统的许多缺点的方式弯曲光线。

核心技术是在联合创始人兼首席执行官罗伯特·德夫林 (Robert Devlin) 攻读博士学位时通过十年的研究形成的。在哈佛大学与著名的物理学家和 Metalenz 联合创始人费德里科卡帕索。该公司于2017年从研究小组中分拆出来。

光穿过这些带图案的纳米结构，在微观层面上看起来像数百万个直径不同的圆圈。Devlin 说：“就像弯曲透镜加快和减慢光线以弯曲它的方式一样，每一个都允许我们做同样的事情，所以我们可以通过改变这些圆圈的直径来弯曲和塑造光线。” .

由此产生的图像质量与您从多镜头系统中获得的图像质量一样清晰，纳米结构可以减少或消除传统相机常见的许多降低图像质量的像差。而且该设计不仅节省空间。Devlin 说，Metalenz 相机可以将更多的光传送回图像传感器，与传统镜头元件相比，可以获得更明亮、更清晰的图像。

另一个好处?该公司已与两家半导体领先企业(目前每天可生产 100 万个 Metalenz“芯片”)建立合作伙伴关系，这意味着光学器件是在制造消费和工业设备的同一家代工厂制造的——这是简化供应链的重要一步。

新形式的传感

Metalenz 将在今年年底投入量产。它的第一个应用是用作智能手机中 3D 传感器的镜头系统。(该公司没有提供手机制造商的名称。)

Devlin 表示，当前的 3D 传感器，例如 Apple 用于 Face ID 的 TrueDepth 相机，会用激光主动照亮场景以扫描面部，但这可能会消耗手机的电池寿命。由于Metalenz 可以为图像传感器带来更多光线，他声称这有助于节省电力。

其他好消息?Devlin 表示，如果是手机正面的 3D 传感器用于面部身份验证，Metalenz 系统可以消除对突出到屏幕的笨重相机凹口的需要，就像当前 iPhone 中的凹口一样。放弃传统镜头元件所节省的空间将使更多手机制造商能够将传感器和摄像头置于设备的玻璃显示屏下方，今年我们将看到更多这样的情况。

Devlin 说，Metalenz 的应用程序超越了智能手机。该技术可用于从医疗保健仪器到增强现实和虚拟现实相机，再到汽车摄像头的所有领域。

以光谱学为例。光谱仪用于精细检测不同波长的光，它通常用于医学分析以识别血液中的特定分子。由于超表面允许您将“光学桌面折叠成单个表面”，Devlin 声称您可以在带有 Metalenz 的智能手机中弹出正确的传感器来完成同样的工作。

“你实际上可以用光谱仪查看水果的化学特征，并判断它是否成熟，”德夫林说。“它真的不再只是一个图像，你实际上正在访问各种不同形式的感官，观察世界并与之互动，将全新的信息输入手机。”