超级景深3cm至1.7公里 超透镜原理自古代三叶虫

［星岛综合报道］在摄影中，景深是指相机一次可以对焦多少的三维空间。例如，浅景深可以使主体保持锐利，但会模糊大部分前景和背景。现在，NIST即美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology)的研究人员从古三叶虫中汲取灵感，进而展示了一种具有有史以来最深景深的新型光场相机(light field camera)。

大约在 50 亿年前，三叶虫在海洋成群结队，是今天马蹄蟹的远亲。牠们的视觉系统相当复杂，包括复眼，具有数万至数千个微小的独立单元，每个单元都有自己的角膜、晶状体和感光细胞。

尤其是一种三叶虫名Dalmanitina socialis，因其独特的复眼结构而引起了NIST 研究人员的注意。化石记录检查表明，这个小家伙的整个视觉系统都有双层镜片，这与当今节肢动物王国中的任何其他动物都不同，并且这些镜片的上层在中间有一个凸位，进而形成第二个焦点。这意味着 Dalmanitina socialis 能够聚焦在它面前的猎物，或可能从更远处接近的掠食者身上。

研究小组决定看看这种想法是否可以应用于光场相机。普通的相机基本上是通过二维网格接收光线并记录颜色和亮度信息，而光场相机则要复杂得多。它不仅对颜色和亮度进行编码，还包括进入传感器的每条光线的方向。

当以这种方式捕获整个光场时，最终可以获得足够的信息，以颜色、深度、透明度、镜面反射、折射和遮挡方面来重建场景，并且可以拍摄后立即调整焦点、景深、倾斜和透视位移。

根据NIST团队的说法，迄今为止，问题是在扩展景深时不损失空间解像度、不丢失颜色信息及关闭光圈时不影响快门速度。这正是这些双焦三叶透镜激发突破性进展的地方。

该团队设计了一个超透镜(metalenses)阵列——一个平坦的玻璃表面上面镶嵌著一堆微小的、矩形的、纳米级的二氧化钛柱。每一个柱子都经过精确的形状和定向，可以以特定的方式操纵光线。

偏振在这里发挥了关键作用——如果光线是左圆偏振 (LCP) 或右圆偏振(RCP)，纳米柱会以不同的量弯曲光。由于不同的弯曲量会导致不同的焦点，研究人员已经有效地使用了两个焦点。问题是，单个传感器只能从两个焦点其中一个捕获聚焦图像。

对此，研究人员定位了这些纳米柱超透镜，以确保进入每个纳米柱的一些光必须通过矩形的长边，而另一些则通过较短的路径。同样，这将光线弯曲了两个不同的量，并产生了两个不同的焦点——一个像微距镜头一样聚焦在近距离，另一个像远摄镜头一样聚焦在远处，所以在这个和偏振之间，研究人员有四个要处理的图像。

如果目前为止数学还不够疯狂，研究人员随后计算出精确的超透镜几何形状，这导致长聚焦光束的左圆偏振版本与宏焦光束的右圆偏振版本在完全相同的平面上聚焦，使它们能够通过一个光场传感器以清晰的焦点同时记录 - 而不损失任何空间解像度。

该团队设计并建造了一个 39 x 39 的超透镜阵列，近焦点设置为仅 3 厘米(1.2 吋)，远点设置为 1.7 公里(逾一英里)。它使用多尺度卷积神经网络设计和编码了一种重建算法，以纠正那些 1,521 个微型双用途超透镜引入的所有许多像差，特别是考虑到在纳米尺度上保持严格的制造公差是多么困难。

那个重建算法是个宝。经过一个简单的校准过程和训练，它可以准确地找出特定超透镜阵列在色差、模糊和其他光学方面的缺陷，并且它可以做出修正，然后可以很容易地应用于任何拍摄的图像。

更惊人的是，虽然它的两个焦点相距超过一英里，但重建算法可以清晰地重建放置在它们之间的任何物品，创建可以设置为有史以来最大景深的最终图像，其中远在地平线上的物体与距离镜头 1.5吋的那些一样清晰和锐利。

重建算法在纠正错误方面做得如此出色，研究小组表示，使用这种技术的光场相机不必以极高的精度制造。也就是说，团队认为它应该是相对容易制造的。

正如这项发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的研究所解释的那样：“这种受生物启发的纳米光子光场相机加上计算后处理，不仅可以实现具有极高景深的全彩色成像，而且还能够消除元光学引起的光学像差。”

研究团队认为，这项技术可用于消费者摄影、光学显微镜和机器视觉等领域，但由于目前这是一项相当新兴的研究，我们预计它不会很快上架。

图片：NIST

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