一種用于成像系統(tǒng)光學(xué)鏡頭設(shè)計的自動化計算方法有望在無需人工干預(yù)的情況下提供最佳解決方案，從而減少通常所需的時間和成本。其結(jié)果可能是改進手機攝像頭，使其具有更高的質(zhì)量或新的功能。

DeepLens設(shè)計方法由卡亞科技大學(xué)的Xinge Yang，Qiang Fu和Wolfgang Heidrich開發(fā)，基于“課程學(xué)習(xí)”的概念，采用結(jié)構(gòu)化、迭代、分階段的方法，考慮成像系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如分辨率、光圈和視場。

這項研究成果發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。

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自動化鏡頭設(shè)計的課程學(xué)習(xí)

人工智能系統(tǒng)和人類一樣，很難在沒有指導(dǎo)的情況下從頭開始學(xué)習(xí)復(fù)雜的任務(wù)。例如，人類要先學(xué)會爬、站，再學(xué)會走，最后才能學(xué)會跳、跳舞或運動。同樣，課程學(xué)習(xí)將復(fù)雜的任務(wù)（這里指的是復(fù)雜鏡頭系統(tǒng)的設(shè)計）分解成復(fù)雜程度不斷提高的各個階段，逐步提高對分辨率、光圈大小和視野的要求。

重要的是，該方案不需要以人類設(shè)計為起點。相反，它可以完全自行設(shè)計一個復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一系列折射透鏡元件組成，每個元件都有自己定制的形狀和特性，以提供最佳的整體性能。

Yang評論說：“傳統(tǒng)的自動化方法只能實現(xiàn)對現(xiàn)有設(shè)計的微小優(yōu)化。我們的方法可以從一開始就優(yōu)化復(fù)雜的透鏡設(shè)計，將經(jīng)驗豐富的工程師數(shù)月的手工工作大幅減少到一天的計算時間�！�

這種方法在創(chuàng)建經(jīng)典光學(xué)設(shè)計和擴展景深計算透鏡方面都非常有效。這是在手機大小的外形尺寸下，利用具有高非球面和短后焦距的透鏡元件實現(xiàn)的大視場。它還在六元件經(jīng)典成像系統(tǒng)中進行了測試，分析了其設(shè)計和光學(xué)性能的演變，因為它調(diào)整了設(shè)計以滿足設(shè)計規(guī)范。

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深度學(xué)習(xí)大口徑鏡頭的評估

Yang解釋說：“我們的方法專門針對多元素折射透鏡的設(shè)計，這種透鏡在從顯微鏡到蜂窩相機和望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備中都很常見。我們預(yù)計涉及移動設(shè)備攝像頭的公司會對此產(chǎn)生濃厚興趣，因為在這些設(shè)備中，由于硬件限制，必須通過計算輔助才能獲得最佳圖像質(zhì)量。我們的方法在管理光學(xué)和計算組件之間的復(fù)雜互動方面表現(xiàn)出色�！�

目前，DeepLens 方法僅適用于折射透鏡元件，但 KAUST 團隊表示，目前正在努力將該方案擴展到將折射透鏡與衍射光學(xué)元件和超透鏡相結(jié)合的混合光學(xué)系統(tǒng)。

Yang總結(jié)道：“這將進一步實現(xiàn)成像系統(tǒng)的微型化，并釋放出新的功能，如光譜相機和聯(lián)合彩色深度成像�！�

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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50835-7