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相機模組可以在沒有鏡頭的情況下工作嗎？計算影像的革命性轉變
創建於 2025.11.21
數十年來，我們一直理所當然地認為相機需要鏡頭——就像我們假設汽車需要引擎或手機需要螢幕一樣。鏡頭長期以來一直是相機的「眼睛」。相機模組, 彎曲光線以將清晰的影像聚焦到感測器上。但如果這一基本假設不再成立呢？今天，計算成像、人工智慧演算法和微製造技術的進步正在證明，相機模組可以在沒有鏡頭的情況下運作——這為更小、更便宜和更具多功能性的設備開啟了大門，重新定義了成像技術的可能性。
無鏡頭革命：一切是如何運作的
無鏡頭相機模組不僅僅是去除鏡頭——它們重新思考整個成像過程。傳統相機依賴光學鏡頭來折射光線並在感測器上形成直接影像。無鏡頭系統用「計算聚焦」取代這種物理聚焦：它們通過替代光學結構捕捉原始光數據，並使用算法重建清晰、可用的影像。以下是使這一切成為可能的三項突破性技術：
1. 可程式化面具成像：動態光編碼
來自南京科技大學的研究人員在無鏡頭技術方面取得了突破，他們開發了可編程菲涅耳區域光圈的無鏡頭成像系統（LIP）。LIP不使用鏡頭，而是使用一個可編程的面具，顯示動態的菲涅耳區域光圈（FZA）——這些模式調制光線以捕捉空間和頻率信息。
系統的運作分為兩個關鍵步驟：首先，可程式化的遮罩移動FZA以收集多個子孔徑光場數據點。然後，平行融合算法在頻域中結合這些數據點，以重建高解析度圖像。結果是？相較於傳統靜態遮罩無鏡頭系統，解析度提升2.5倍，信噪比改善3 dB。在動態模式下，它達到15 fps——足夠快速以實現即時手勢識別和人機互動——同時將相機模組的大小減少90%。
2. 光反射成像：玻璃作為「隱形鏡頭」
猶他大學的拉傑什·梅農採取了不同的方法：使用玻璃內部的反射光來取代傳統鏡頭。大多數光線會穿過玻璃，但有一小部分會從其內部表面反射。梅農的團隊將一個CMOS感測器附加在壓克力玻璃面板的邊緣，並用反光膠帶沿著面板的其餘部分進行包裹，以捕捉這些反彈的光線。
當光線照射到玻璃上時，感測器檢測到反射的信號，而機器學習算法將這些數據轉換為圖像。這一設計的巧妙之處在於其簡單性：玻璃本身充當光學元件，消除了對任何曲面鏡頭的需求。雖然原始圖像對人眼來說是模糊的，但它們包含足夠的數據供計算機提取關鍵信息——非常適合機器而非人類作為“觀眾”的應用。
3. 微透鏡陣列：微型光收集器
在3D成像方面，加州大學戴維斯分校的研究人員開發了一種無透鏡模組，使用了一個薄的微透鏡陣列。與單一的笨重透鏡不同，這個陣列使用了37個微小的聚合物透鏡（直徑僅12毫米）來從多個角度捕捉光線。每個微透鏡都作為一個獨立的視點，收集深度信息，AI算法將其重建為實時的3D圖像。
這項技術解決了傳統3D相機的一個主要限制：它只需單次曝光，並避免了複雜的校準。這種輕便、靈活的陣列非常適合用於機器人、工業檢測以及虛擬實境/擴增實境系統——在這些應用中，尺寸和速度比完美的照片質量更為重要。
現實世界應用：無鏡頭相機的光芒所在
無鏡頭相機模組不僅僅是實驗室的實驗——它們已經在各行各業中找到實際應用，這得益於它們最大的優勢：小巧的尺寸、低廉的成本和耐用性。以下是正在被改變的領域：
VR/AR 與可穿戴技術
VR/AR 設備最大的瓶頸是空間——為眼動追蹤或手勢控制添加傳統相機會使頭戴設備變得笨重。無鏡片模組解決了這個問題：Menon 的基於玻璃的系統無縫地融入 VR/AR 鏡頭中以追蹤眼動，而南京大學的 LIP 模組則將尺寸縮小了 90%，使其非常適合輕便的可穿戴設備。這些模組在不犧牲舒適性或設計的情況下增加了成像能力。
醫學影像
傳統內窺鏡使用長而剛性的鏡頭，可能會讓患者感到不適。無鏡頭模組使超薄、柔性內窺鏡成為可能，能夠在身體內部狹窄的空間中導航。它們的小型化設計也降低了組織損傷的風險，而計算重建則保持了醫生進行準確診斷所需的影像清晰度。
安全與監控
無鏡頭相機提供了隱蔽的優勢：它們可以被整合到窗戶、牆壁或日常物品中而不被發現。像海康威視這樣的品牌已經推出了使用無鏡頭技術的「隱形」監控攝像頭，這些攝像頭在捕捉運動和活動的同時，能夠融入環境。由於沒有易碎的鏡頭元件，它們的耐用性也使其非常適合惡劣的戶外條件。
汽車與機器人
自駕車和機器人需要緊湊、可靠的成像系統來導航。無鏡頭模組適合安裝在車輛儀表板或機器人手臂的狹小空間中，而其無限景深（無物理對焦的副作用）有助於檢測不同距離的物體。具備3D能力的微透鏡陣列模組對於機器人操作特別有用，讓機器能夠“看見”它們正在處理的物體形狀。
市場增長：革命背後的數字
無鏡頭相機市場正在迅速增長，因為這些應用程序獲得了廣泛的關注。2020年，全球市場規模為250億美元，預計到2025年將達到600億美元，年均增長率超過18%。僅在中國，市場預計到2025年將達到210億美元（1500億人民幣），這主要受到消費電子產品和醫療設備需求的驅動。
主要參與者如日立、泰雷德普林斯頓儀器和華為正在大力投資於這項技術。即使是傳統的相機巨頭如佳能和索尼也在探索無鏡頭設計，以保持在可穿戴設備和物聯網市場的競爭力。推動力是什麼？成本：去除鏡頭消除了相機模組中最昂貴的組件之一，使成像技術能夠被更多設備所使用。
挑戰與未來之路
無鏡頭相機模組尚未完美——但還在努力中。它們面臨三個關鍵挑戰，研究人員正在全力解決：
首先，弱光性能。沒有鏡頭來集中光線，無鏡頭系統在低光條件下表現不佳，導致圖像噪點。最近在人工智慧去噪方面的進展，例如EPFL的方法考慮了外部照明，正在改善性能，但在夜間監控等低光環境中仍需更多工作。
其次，高解析度的限制。雖然 LIP 技術實現了令人印象深刻的解析度提升，但無鏡頭模組仍無法與高端單反相機鏡頭的細節相匹配。對於消費者攝影來說，這意味著它們不太可能在短期內取代傳統相機——但對於機器視覺和基本成像來說，解析度已經足夠。
第三，算法複雜度。無透鏡成像依賴強大的處理器來運行重建算法。對於像物聯網傳感器這樣的低功耗設備，這可能會耗盡電池。優化的神經網絡和更高效的硬體正在解決這個問題，但能源效率仍然是優先考慮的事項。
未來看起來光明。隨著人工智慧算法變得更強大以及微製造成本降低，無鏡頭模組將持續改進。研究人員已經在探索多模態成像——將無鏡頭系統與偏振或光譜感測結合，用於醫療診斷和材料分析。我們也看到與5G的整合，使得在雲端伺服器上進行實時影像重建成為可能，而不是依賴本地設備。
結論：鏡頭時代的結束？
所以，相機模組可以在沒有鏡頭的情況下運作嗎？答案是肯定的——而且它們在關鍵領域已經超越了傳統的基於鏡頭的系統。無鏡頭技術不僅僅是一種新奇；它是一種範式轉變，優先考慮功能、尺寸和成本，而不是完美的影像真實性。
對於消費者來說，這意味著更小、更實惠的內建影像裝置——從使用微型無鏡頭感測器追蹤健康的智慧手錶，到感覺比以往更輕的虛擬實境頭戴裝置。對於各行各業來說，這意味著影像解決方案可以適應傳統相機無法進入的地方，從人體內部到自駕車的狹小空間。
鏡頭不會完全消失——高端攝影和專業攝像仍將在未來幾年依賴精密鏡頭。但對於數十億不需要博物館品質照片的成像設備來說，無鏡頭模組正在取而代之。隨著計算成像的持續進步，我們將不再問「相機可以在沒有鏡頭的情況下工作嗎？」而是開始思考我們為什麼一開始就需要鏡頭。
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