透視「隱形」世界：無鏡頭相機如何顛覆我們的視覺極限？

「許多有用的訊號，例如熱能和分子的『化學指紋』，都存在於中紅外光譜中。然而，能捕捉這些波長的相機通常很嘈雜、昂貴，或需要冷卻。」 — 研究團隊負責人 曾和平

想像一下，一台相機不僅能穿透黑暗，看見物體散發的熱量，甚至能捕捉到空氣中特定分子的「身影」，而且這一切都不需要鏡頭。這聽起來像是科幻電影的道具，但華東師範大學的研究團隊，從數千年前的古老智慧中汲取靈感，將其變為現實。

這項技術的核心，回歸到最原始的成像原理——針孔成像。早在西元前四世紀，中國的哲學家墨子就描述了這個現象。現在，科學家們利用雷射和特殊晶體，創造出一個「光學針孔」，不僅徹底擺脫了傳統鏡頭的束縛，更開啟了看見「隱形」世界的大門。

這款新相機擁有超大的景深、廣闊的視野，並且在極低光源下依然能拍出清晰的3D影像。它預示著一場視覺技術的革命，從夜間安全、工業品管到環境監測，都將迎來顛覆性的改變。

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你可能在理化課上做過針孔相機的實驗，用一個小孔和一個暗箱，就能投射出顛倒的影像。這個由墨子首次記錄的原理，雖然簡單，卻蘊含著深刻的物理奧秘。傳統相機依賴複雜的凸透鏡組來聚焦光線，但鏡頭也帶來了光學畸變、色散和景深有限等問題。

而針孔成像，因為沒有鏡頭，所以不存在畸變問題，並且擁有幾乎無限的景深——無論遠近，景物都同樣清晰。

研究團隊正是看中了這些優點。他們摒棄了實體鏡頭，改用一道高強度雷射，在一個被稱為「非線性晶體」的特殊材料內部，瞬間「鑿」出一個微小的光學孔洞。這個孔洞就像一個完美的、可控的針孔，讓中紅外光線通過，從而實現了無失真、大景深的成像。這不僅是對古老智慧的致敬，更是利用尖端科技，將其潛力發揮到極致。

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我們之所以看不見熱量或特定氣體，是因為它們發出或反射的是中紅外光，一種人眼無法感知的電磁波。要捕捉它，就需要特殊的感光元件。但傳統紅外線相機不僅昂貴，還常常伴隨著惱人的雜訊，尤其在光線微弱時。

這款無鏡頭相機的「魔法」，就在於那塊非線性晶體。它身兼二職：

1. 創造針孔：如前所述，雷射在其中形成光學針孔。
2. 轉換光線：當不可見的中紅外光穿過這個針孔後，晶體會透過一種稱為「上轉換」的過程，將這些低能量的紅外光子，轉換成高能量的「可見光」光子。

這意味著，原本看不見的紅外線影像，被直接「翻譯」成了我們熟悉的彩色或黑白影像。接著，只需要一個普通的矽基相機感光元件（就像你手機裡的那種），就能輕鬆捕捉到這個清晰的畫面。這個過程不僅巧妙地繞過了紅外線感測器的技術瓶頸，還能自然地抑制雜訊，即使在僅有幾個光子的極端環境下，也能成像。

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這款相機的能耐，遠不止於拍攝平面照片。由於它使用超短的同步雷射脈衝，這等於內建了一個速度極快的「光學碼錶」，讓3D成像變得輕而易舉。研究人員展示了兩種令人驚豔的3D成像方式：

• 飛時測距（Time-of-Flight）：
  這就像蝙蝠的聲納回音定位，只不過用的是光。相機發出超快雷射脈衝，並精確計算光脈衝從物體表面反射回來的時間差。透過這個時間，就能以微米等級的驚人精度，重建出物體的3D立體輪廓。研究團隊成功地為一個陶瓷兔子模型進行了3D掃描，即使在模擬的極低光照條件下，依然能獲得清晰的3D影像。
• 雙快照深度成像（Two-snapshot Depth Imaging）：
  這是一種更簡便的方法。就像我們的雙眼能判斷距離一樣，相機在稍微不同的位置，對同一個物體拍攝兩張照片。透過電腦演算法比對這兩張照片的微小差異，就能反推出物體上每個點的真實深度和尺寸。這個方法無需複雜的脈衝計時技術，就能輕鬆實現大範圍的3D測量。

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雖然這項技術目前仍處於概念驗證階段，其應用潛力卻已清晰可見，涵蓋了從日常生活到尖端科學的廣泛領域。

• 安全與監控：在完全黑暗的環境中，它能清晰地捕捉到散發熱量的人或動物，大幅提升夜間駕駛安全和保全監控能力。
• 工業製造：在生產線上，它可以檢測產品的微小熱缺陷或材料分布不均，實現更高效的品質控管。
• 環境監測：特定的氣體分子有其獨特的中紅外光譜「指紋」。利用這款相機，科學家可以遠距離監測空氣污染物的濃度或溫室氣體的洩漏。
• 更遠的未來：這項技術的原理，甚至可以擴展到更長的波段，如遠紅外光或太赫茲波。這些波段在材料科學、安全檢查（如機場安檢）和醫療診斷中具有巨大潛力，而傳統鏡頭在這些領域的製造極其困難且昂貴。

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儘管前景光明，但若想將這台革命性的相機放進我們的口袋，還有很長一段路要走。目前，整個實驗裝置還相當龐大且複雜，需要精密的雷射系統來驅動。這就像第一台電腦佔據了整個房間，離我們今天使用的筆記型電腦相去甚遠。

研究團隊坦言，下一步的目標是讓整個系統變得更小、更快、更靈敏。這有賴於新一代非線性材料的開發，以及更小型化、高效率的集成光源技術。他們也計畫增加動態控制功能，讓光學針孔的大小和形狀能根據不同的場景需求進行即時調整。

從墨子的暗箱到今日的光學針孔，人類對「觀看」的追求從未停止。這項無鏡頭成像技術，不僅為我們打開了一扇窺探隱形世界的窗戶，更證明了最古老的智慧，在與最前沿的科技碰撞時，依然能迸發出最耀眼的火花。

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如何找到這篇資料？
這篇專欄的內容是基於學術出版集團 Optica 發布的研究成果。你可以透過搜尋引擎查找「Optica」以及文章標題「This new camera sees the invisible in 3D without lenses」，即可找到原始的科學新聞稿與相關研究論文。

Ref:

Optica. (2025, September 26). This new camera sees the invisible in 3D without
lenses. ScienceDaily. Retrieved September 26, 2025 from www.sciencedaily.com/
releases/2025/09/250926035048.htm