探索宇宙奧秘 · 理性思考

這其實是一個長期困擾工程師的難題：當(dāng)光線傾斜進入鏡頭時，圖像傳感器對色彩的還原能力會大幅下降?，F(xiàn)在，韓國科學(xué)家找到了一個巧妙的解決辦法，讓手機無論從哪個角度拍，顏色都能保持準(zhǔn)確。

要理解這個突破，得先聊聊傳統(tǒng)相機是怎么分辨顏色的。在大多數(shù)圖像傳感器上，都鋪著一層叫“拜耳濾色鏡”的薄膜。

這層膜像馬賽克一樣，由紅、綠、藍(lán)三種顏色的微小濾鏡拼成。每個像素只能感受到一種顏色，最后通過算法猜出全彩畫面。但這種方法天生就有短板：濾色鏡會吸收掉大部分光線，導(dǎo)致進光量嚴(yán)重不足。

為了讓 tiny 的像素捕捉到足夠光線，科學(xué)家把目光投向了“納米光子色彩路由器”。這名字聽著復(fù)雜，原理卻不難懂。它不使用傳統(tǒng)透鏡，而是靠肉眼看不見的微觀結(jié)構(gòu)，像交通警察一樣，精準(zhǔn)引導(dǎo)不同顏色的光。

這個基于超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)，能把入射光精確地分成紅、綠、藍(lán)三原色，分別送到對應(yīng)的像素上。理論上，通過堆疊多層極精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)，能比傳統(tǒng)濾色鏡收集更多光線，色彩分離也更準(zhǔn)確。

韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院（IBS）的一位科學(xué)家曾用一個比喻來解釋：“這就像在足球場上，不是用一個守門員去撲所有方向的球，而是為每個方向的來球都安排一個專門的守門員。”

韓國團隊此次研究的核心，正是對這種色彩路由器的性能優(yōu)化。

此前，三星電子已經(jīng)展示了這項技術(shù)的商業(yè)化潛力，將其命名為“Nano Prism”并應(yīng)用于實際圖像傳感器。但此前所有設(shè)計都面臨一個共同的“死穴”：斜入射問題。

簡單來說，當(dāng)光線垂直照射傳感器時，這些納米結(jié)構(gòu)工作得堪稱完美?？梢坏┕饩€角度發(fā)生改變，比如你側(cè)著手機拍照，它的性能就會急劇下降，色彩會混在一起。這就像精確設(shè)計的陷阱，只對從正上方掉進來的獵物有效。

智能手機攝像頭隨時都在接收來自各個角度的光線，所以這個缺陷必須被克服。韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）和漢陽大學(xué)的聯(lián)合研究團隊決定從根本上解決問題。

他們首先調(diào)查了問題的根源。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以往的設(shè)計過度優(yōu)化于垂直入射光，導(dǎo)致入射角度哪怕只發(fā)生微小變化，性能也會大打折扣。這為后續(xù)的改進指明了方向。

面對這個難題，研究團隊沒有像以往那樣憑經(jīng)驗手動設(shè)計結(jié)構(gòu)，而是采用了一種名為“逆向設(shè)計”的新方法。

這種方法有點像“進化”。工程師只需要告訴電腦你想要什么效果——比如“在光線傾斜±12度時，色彩分離效率依然要高”，然后電腦就會在無數(shù)種可能的結(jié)構(gòu)中，通過算法自行推演，找到那個最優(yōu)解。

最終，電腦給出的設(shè)計方案令人驚訝。在這種新結(jié)構(gòu)下，即使光線傾斜±12度，它依然能保持約78%的光學(xué)效率，色彩分離穩(wěn)定。相比之下，舊的結(jié)構(gòu)在光線傾斜12度時幾乎完全失效。

換句話說，這項技術(shù)已經(jīng)達到了智能手機實際使用環(huán)境的要求。團隊還分析了包括超構(gòu)材料層數(shù)、設(shè)計條件以及潛在制造誤差等因素，系統(tǒng)性地定義了針對入射角變化的魯棒性極限。

看到這里，你可能會問，我們國家在這個領(lǐng)域的研究怎么樣了？其實，中國科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界在這一賽道上的布局同樣積極，甚至可以說正在努力實現(xiàn)“換道超車”。

中國在相關(guān)領(lǐng)域的研究，主要集中在兩個方向。

一是基礎(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)的突破。比如，早在2022年，南京大學(xué)就有團隊在超構(gòu)表面（metasurface）領(lǐng)域取得重要進展，他們提出的方案可以動態(tài)調(diào)控顏色，原理上與韓國的色彩路由器有異曲同工之妙。此外，中科院等機構(gòu)也在不斷刷新著對微納結(jié)構(gòu)光場調(diào)控的認(rèn)知。

二是產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用探索。雖然三星率先展示了“Nano Prism”技術(shù)，但中國的手機廠商和傳感器制造商也并未缺席。以華為、OPPO、小米為代表的廠商，早已開始與豪威科技（OmniVision）等國內(nèi)傳感器巨頭合作，共同研發(fā)更先進的影像系統(tǒng)。

特別是在計算攝影領(lǐng)域，中國廠商已經(jīng)走在世界前列。一個有趣的思路是，能否用算法來“糾正”一部分硬件上斜入射帶來的色偏？事實上，這正是當(dāng)前很多旗艦手機正在做的事。未來，隨著韓國團隊這樣更魯棒的硬件方案成熟，再結(jié)合中國廠商強大的算法能力，手機攝影的畫質(zhì)將迎來又一次質(zhì)的飛躍。

這項研究不僅關(guān)乎手機拍照好不好看。它的方法論——“逆向設(shè)計”為超構(gòu)材料光子器件提供了一套通用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，未來無論是更高效的光通信芯片，還是更靈敏的量子傳感設(shè)備，都可以借鑒這套思路。

可以說，韓國學(xué)者這次的工作，為超構(gòu)材料光子器件的實用化點亮了一盞燈。而我們，也正在這條賽道上奮力追趕。