传统相机镜头为了追求极致清晰，往往依靠复杂堆叠的多片透镜。如何在确保画质的同时让镜头变得更薄、更轻，已成为单反相机、智能手机、航拍无人机乃至医疗内窥镜发展的共同瓶颈。近年来，计算成像技术带来曙光，它允许镜头“偷点懒”，靠后续算法来修补镜头像差导致的“先天不足”，但如何精准地指导镜头设计，使其与算法高效协同，是计算光学成像前沿领域的核心挑战。

哈尔滨工业大学侯晴宇教授团队从人类视觉的奥秘中获得灵感，提出一种名为“光学注意力机制”的新技术。这项突破让相机镜头也能像人眼一样，学会“选择性专注”。该技术有望使镜头打破“高性能必然伴随大体积”的传统桎梏，迈入轻薄、高清、智能的新时代。相关成果近日发表在光学领域期刊《光学》（《Optica》）上。

人眼堪称自然进化的成像奇迹

人眼成像是一个复杂而高效的过程。光线照射到物体表面后反射进入眼睛，然后经过瞳孔这一“智能光圈”调节进光量，并由晶状体完成精细聚焦。光线经过眼内结构的折射后，在视网膜上形成倒立的实像。视网膜上的感光细胞主要包括两种：约600万—700万个视锥细胞和7500万—1.5亿个视杆细胞。视锥细胞负责感知颜色与细节，视杆细胞负责适应弱光。它们通过光化学反应，将光信号转化为电化学信号。

随后，视神经将这些信号传递至大脑枕叶的视觉皮层。大脑并非简单接收图像，而是会对这些图像信息进行筛选和增强处理，结合记忆与经验进行解析，最终形成我们感知到的视觉世界。这一由物理信号转化为视觉感知的过程包含了光学、化学、神经处理等领域，可以说是一个成像奇迹。

相比如今动辄数片透镜的摄像头，人眼似乎仅用晶状体这“单片透镜”就实现了清晰成像，显然要高效得多。但实际上，由于光学像差的存在，仅通过单片透镜很难实现完美成像，人眼在视网膜上的直接成像结果也会模糊，需要经过大脑处理才能得到清晰的视觉感知。

然而，人类视网膜以约每秒8.96兆比特的速度接收数据，但大脑高级视皮层的处理能力有限，为了快速形成清晰的视觉感知，人类视觉形成了注意力机制。人眼观察世界并非“一视同仁”，当我们注视他人时，大脑会集中处理对方的面部表情和眼神等视觉信息，而背景则会相对模糊，这种注意力机制使得人眼能够通过精巧的结构实现高效的信息获取。

光学注意力机制提升图像生成效率

能否从人类视觉注意力这种智能、高效的处理方式中获取灵感，对如今日益复杂庞大的光学镜头进行简化呢？侯晴宇团队深入挖掘计算光学成像机理，成功将这种选择性注意力机制巧妙地移植到光学设计中。

不同于以往光学设计对镜头完美成像的追求，研究团队提出的光学注意力机制不再苛求镜头每个部分都清晰成像，而是像人类视觉那样选择性关注部分成像能力，再通过复原算法进行信息补偿。这样一来，无需通过复杂的镜片组合校正光学像差，也能实现高质量成像。

那么，光学注意力机制是如何引导镜头设计的呢？团队成员谭凡教教授介绍，传统的镜头设计要求镜片不同区域都尽可能汇聚光线，如同要求团队每个成员都成为“全能冠军”，而这往往需要大量资源、效率低下。光学注意力机制则像一位高明的“教练”，先评估每位“队员”的天赋：对于那些天生聚光能力强的区域，将其确立为“主力队员”，即“注意力区域”来重点优化，确保它们能捕捉最关键的细节信息；对于那些天生不擅长聚焦的“非注意力区域”，则不再要求它们去完成不可能的任务，而是引导它们将光线折射到一些特定的、不影响整体画质的位置，避免“帮倒忙”。

这种“抓大放小、物尽其用”的设计哲学，使镜头在设计之初，就有选择地保住了图像中最核心的高频信息，为后续复原算法的修复反演提供了关键线索。

消费电子工业设计开辟新空间

这项技术最直观的产业化前景，在于消费电子领域，特别是智能手机中。

手机摄像头高分辨率与轻薄化一直是一对矛盾。侯晴宇团队选取了一个典型的手机镜头模组进行验证。该模组原由6片透镜精密组合而成，总长度约为5.4毫米。应用光学注意力机制进行协同设计后，在保持相同视野、焦距和进光量的前提下，研究团队成功地将透镜数量减少为4片，总长度也压缩至4.4毫米。“这意味着手机的摄像头可以做得更薄，为电池、散热等其他重要元件腾出宝贵空间，让手机整体设计更加优雅。”侯晴宇表示，或许在不久的将来，搭载顶级影像系统的智能手机，其后置模组凸起将成为历史。

更令人惊喜的是，简化镜头直接拍摄的原始图像经过与之匹配的智能算法修复后，最终成像的清晰度、对比度与现有的复杂镜头系统几乎不相上下。“这证明，通过光学硬件与计算软件的深度联合，完全可以在简化物理结构的同时，获得媲美乃至超越传统的高清画质，为消费电子的工业设计打开新的想象空间。”侯晴宇说。

该技术的另一大魅力，在于它能“点石成金”，极大地释放简单光学元件的潜力。我们生活中常见的放大镜、猫眼门镜等单片透镜，因难以校正像差，成像往往扭曲模糊，传统优化方法试图让单透镜面面俱到，结果往往是各方面表现平平。

“应用光学注意力机制能够使单透镜彻底‘逆袭’。”谭凡教解释道，光学注意力机制先识别并强化单透镜自身聚光能力最好的核心区域，同时引导其他区域的光线为核心区域成像服务，而非形成干扰。经过优化与算法处理，廉价单透镜的成像质量实现了飞跃，其细节分辨率相比传统设计方法提升超过50%。

这意味着，未来在安防监控摄像头、物联网传感器、胶囊内窥镜等对成本和体积极为敏感的领域，有可能采用极其简单的镜头。这些简单镜头配合云端或终端的智能算法，能够实现过去只有昂贵复合镜头才能达到的成像效果，从而大幅降低成本，推动智能视觉在更多场景的普及。

光学注意力机制为计算成像的产业化铺设了一条高速通道。在医疗领域，更微小、更清晰的内窥镜将帮助医生更精准地实施微创手术；在自动驾驶中，低功耗、可隐藏于车身的超清摄像头将提升车辆的环境安全感知能力；在AR、VR设备上，轻便舒适的形态将成为可能。

当然，这项技术走向大规模应用仍需跨越一些障碍，包括生产工艺的适配、算法优化的效率以及与传统系统的兼容性等问题，需要产业链上下游企业共同协作解决。“但可以预见，这种仿生智能的光学设计思想，正带领我们走向一个设备更隐形、视觉更清晰、智能更普及的未来。”侯晴宇说。