超級景深3cm至1.7公里 超透鏡原理自古代三葉蟲

［星島綜合報道］在攝影中，景深是指相機一次可以對焦多少的三維空間。例如，淺景深可以使主體保持銳利，但會模糊大部分前景和背景。現在，NIST即美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology)的研究人員從古三葉蟲中汲取靈感，進而展示了一種具有有史以來最深景深的新型光場相機(light field camera)。

大約在 50 億年前，三葉蟲在海洋成群結隊，是今天馬蹄蟹的遠親。牠們的視覺系統相當複雜，包括複眼，具有數萬至數千個微小的獨立單元，每個單元都有自己的角膜、晶狀體和感光細胞。

尤其是一種三葉蟲名Dalmanitina socialis，因其獨特的複眼結構而引起了NIST 研究人員的注意。化石記錄檢查表明，這個小傢伙的整個視覺系統都有雙層鏡片，這與當今節肢動物王國中的任何其他動物都不同，並且這些鏡片的上層在中間有一個凸位，進而形成第二個焦點。這意味著 Dalmanitina socialis 能夠聚焦在它面前的獵物，或可能從更遠處接近的掠食者身上。

研究小組決定看看這種想法是否可以應用於光場相機。普通的相機基本上是通過二維網格接收光線並記錄顏色和亮度信息，而光場相機則要複雜得多。它不僅對顏色和亮度進行編碼，還包括進入傳感器的每條光線的方向。

當以這種方式捕獲整個光場時，最終可以獲得足夠的信息，以顏色、深度、透明度、鏡面反射、折射和遮擋方面來重建場景，並且可以拍攝後立即調整焦點、景深、傾斜和透視位移。

根據NIST團隊的說法，迄今為止，問題是在擴展景深時不損失空間解像度、不丟失顏色信息及關閉光圈時不影響快門速度。這正是這些雙焦三葉透鏡激發突破性進展的地方。

該團隊設計了一個超透鏡(metalenses)陣列——一個平坦的玻璃表面上面鑲嵌著一堆微小的、矩形的、納米級的二氧化鈦柱。每一個柱子都經過精確的形狀和定向，可以以特定的方式操縱光線。

偏振在這裡發揮了關鍵作用——如果光線是左圓偏振 (LCP) 或右圓偏振(RCP)，納米柱會以不同的量彎曲光。由於不同的彎曲量會導致不同的焦點，研究人員已經有效地使用了兩個焦點。問題是，單個傳感器只能從兩個焦點其中一個捕獲聚焦圖像。

對此，研究人員定位了這些納米柱超透鏡，以確保進入每個納米柱的一些光必須通過矩形的長邊，而另一些則通過較短的路徑。同樣，這將光線彎曲了兩個不同的量，並產生了兩個不同的焦點——一個像微距鏡頭一樣聚焦在近距離，另一個像遠攝鏡頭一樣聚焦在遠處，所以在這個和偏振之間，研究人員有四個要處理的圖像。

如果目前為止數學還不夠瘋狂，研究人員隨後計算出精確的超透鏡幾何形狀，這導致長聚焦光束的左圓偏振版本與宏焦光束的右圓偏振版本在完全相同的平面上聚焦，使它們能夠通過一個光場傳感器以清晰的焦點同時記錄 - 而不損失任何空間解像度。

該團隊設計並建造了一個 39 x 39 的超透鏡陣列，近焦點設置為僅 3 厘米(1.2 吋)，遠點設置為 1.7 公里(逾一英里)。它使用多尺度卷積神經網絡設計和編碼了一種重建算法，以糾正那些 1,521 個微型雙用途超透鏡引入的所有許多像差，特別是考慮到在納米尺度上保持嚴格的製造公差是多麼困難。

那個重建算法是個寶。經過一個簡單的校準過程和訓練，它可以準確地找出特定超透鏡陣列在色差、模糊和其他光學方面的缺陷，並且它可以做出修正，然後可以很容易地應用於任何拍攝的圖像。

更驚人的是，雖然它的兩個焦點相距超過一英里，但重建算法可以清晰地重建放置在它們之間的任何物品，創建可以設置為有史以來最大景深的最終圖像，其中遠在地平線上的物體與距離鏡頭 1.5吋的那些一樣清晰和銳利。

重建算法在糾正錯誤方面做得如此出色，研究小組表示，使用這種技術的光場相機不必以極高的精度製造。也就是說，團隊認為它應該是相對容易製造的。

正如這項發表在《自然通訊》（Nature Communications）上的研究所解釋的那樣：「這種受生物啟發的納米光子光場相機加上計算後處理，不僅可以實現具有極高景深的全彩色成像，而且還能夠消除元光學引起的光學像差。」

研究團隊認為，這項技術可用於消費者攝影、光學顯微鏡和機器視覺等領域，但由於目前這是一項相當新興的研究，我們預計它不會很快上架。

圖片：NIST

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