自动化光学镜头设计方案有望提升手机摄像头性能

一种用于成像系统光学镜头设计的自动化计算方法有望在无需人工干预的情况下提供最佳解决方案，从而减少通常所需的时间和成本。其结果可能是改进手机摄像头，使其具有更高的质量或新的功能。

DeepLens设计方法由卡亚科技大学的Xinge Yang，Qiang Fu和Wolfgang Heidrich开发，基于“课程学习”的概念，采用结构化、迭代、分阶段的方法，考虑成像系统的关键参数，如分辨率、光圈和视场。

这项研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。

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自动化镜头设计的课程学习

人工智能系统和人类一样，很难在没有指导的情况下从头开始学习复杂的任务。例如，人类要先学会爬、站，再学会走，最后才能学会跳、跳舞或运动。同样，课程学习将复杂的任务（这里指的是复杂镜头系统的设计）分解成复杂程度不断提高的各个阶段，逐步提高对分辨率、光圈大小和视野的要求。

重要的是，该方案不需要以人类设计为起点。相反，它可以完全自行设计一个复合光学系统，该系统由一系列折射透镜元件组成，每个元件都有自己定制的形状和特性，以提供最佳的整体性能。

Yang评论说：“传统的自动化方法只能实现对现有设计的微小优化。我们的方法可以从一开始就优化复杂的透镜设计，将经验丰富的工程师数月的手工工作大幅减少到一天的计算时间。”

这种方法在创建经典光学设计和扩展景深计算透镜方面都非常有效。这是在手机大小的外形尺寸下，利用具有高非球面和短后焦距的透镜元件实现的大视场。它还在六元件经典成像系统中进行了测试，分析了其设计和光学性能的演变，因为它调整了设计以满足设计规范。

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深度学习大口径镜头的评估

Yang解释说：“我们的方法专门针对多元素折射透镜的设计，这种透镜在从显微镜到蜂窝相机和望远镜等设备中都很常见。我们预计涉及移动设备摄像头的公司会对此产生浓厚兴趣，因为在这些设备中，由于硬件限制，必须通过计算辅助才能获得最佳图像质量。我们的方法在管理光学和计算组件之间的复杂互动方面表现出色。”

目前，DeepLens 方法仅适用于折射透镜元件，但 KAUST 团队表示，目前正在努力将该方案扩展到将折射透镜与衍射光学元件和超透镜相结合的混合光学系统。

Yang总结道：“这将进一步实现成像系统的微型化，并释放出新的功能，如光谱相机和联合彩色深度成像。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-08-automated-scheme-optical-lens-mobile.html

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50835-7