受三叶虫启发的光场相机，景深如何做到无穷远

崇光

纳米光子光场相机正在进步中，近期研究人员基于已灭绝的寒武纪三叶虫（Dalmanitina socialis）的眼睛，制造出可提供极深的景深，范围从厘米到千米的机型。

在相机聚焦完成后，焦点前后的范围内所呈现的清晰图像的距离，这一前一后的范围，便叫作景深。不同于人眼的構造，我们看外界事物，10cm和无限远的焦点都是清晰的，但是光学成像的相机却不是如此，比如我们拍甲虫微距，甲虫头部和尾部清晰，但是它前后10cm左右的花草会有虚化现象;又比如拍摄几公里外大楼，这沿线的几十栋建筑有些清晰有些模糊，这都是景深造成的。

在镜头前方（焦点的前、后）有一段一定长度的空间，当被摄物体位于这段空间内时，其在底片上的成像恰位于同一个弥散圆之间。换言之，在这段空间内的被摄体，其呈现在底片面的影像模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内，这段空间的长度就是景深。

纳米光子光场相机利用神经网络的重建算法来消除相机“超透镜”阵列导致的光学像差。但是我们知道，三叶虫已经灭绝了数亿年，其眼部构造和现代的复眼昆虫有何不同呢？

根据科学家对化石遗骸的研究表明，三叶虫是最早拥有复眼的节肢动物之一，今天许多生物都有复眼，包括昆虫和甲壳类动物，现代节肢动物都有一个单一的焦点视觉系统。然而，Dalmanitina socialis拥有独特的复眼视觉系统。它有两个不同折射率的光学均匀透镜单元，一个由方解石制成的具有中央凸起的上透镜单元和一个由有机化合物制成的下透镜单元。Dalmanitina socialis 的每个复眼都能够同时将入射光聚焦到近点和远点，类似于同轴双焦透镜，这种独特的眼睛结构使生物体能够同时看到近距离和远距离捕食者的猎物。

再来补习一下光场相机知识，它们能够捕获有关场景光场的信息并测量光的强度和光的传播方向。光场相机可以测量光的颜色、深度、镜面反射、透明度、折射和遮挡。

光场相机机身和一般数码相机差不多，但内部结构大有不同。一般相机以主镜头捕捉光线，再聚焦在镜头后的胶片或感光器上，所有光线的总和形成相片上的小点，显示影像。而光场相机一反传统，减低镜头孔径大小及景深，以小镜阵列控制额外光线，不用牺牲景深以及影像清晰度。

Dalmanitina socialis独特的眼睛结构

光场成像相机的概念草图，具有超透镜阵列实现自旋相关双焦光场成像的系统工作原理

光场相机的镜头有不同的方法，一种选择是在焦平面上使用微透镜阵列，比如Lytro机型。这款机型是美国Lytro公司研发的全球首款“先拍照后对焦”的光场相机，它可以让你先把照片拍下，然后再到电脑上对照片进行对焦或重新对焦。不仅如此，Lytro相机拍下的照片，时隔几个月后还能用其他方法做事后调整，你可以让任何景物立刻成为拍摄焦点，完全不去考虑景深问题;或者是改变观看照片的视角，将一张照片在2D和3D模式之间来回切换。

Dalmanitina socialis的进步在于，在不损失空间分辨率、不损失颜色信息、不关闭光圈以至于快门速度成为问题的情况下扩展景深。而这正是这些双焦三叶虫镜头所激发的突破性进展。该团队设计了一个金属透镜阵列，其在玻璃的平面上镶嵌着一堆微小的、矩形的、纳米级的二氧化钛柱子。这些柱子中的每一个都被精确地塑造和定向进而以特定的方式操纵光线：偏振（横波的振动矢量）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），纳米柱子会以不同的数量弯曲光线。由于不同的弯曲量导致了不同的焦点，因此研究人员已经有效地有了两个焦点可以使用。

问题是，一个传感器只能从这些焦点中的一个捕捉到焦点图像。对此，研究人员定位了这些纳米柱状金属片以确保进入每个纳米柱状金属片的一些光线必须通过矩形的长边，而一些则通过较短的路径。同样，这使光线发生了两种不同程度的弯曲并产生了两个不同的焦点——一个像微距镜头一样近距离聚焦，另一个像长焦镜头一样远距离聚焦，所以在这个和偏振之间，研究人员有四个图像需要处理。

超透镜使得长焦光束的左圆形偏振版跟右圆形偏振版在完全相同的平面上聚焦，进而使它们都能同时被一个光场传感器清晰地聚焦记录，而不损失任何空间分辨率。

研究团队设计建造了一个39×39的超透镜阵列，近焦点设置在仅3厘米处，远焦点设置在1.7千米处。他们设计并编码了一个使用多尺度卷积神经网络的重建算法，这样可以用来纠正超透镜所带来的许多畸变，特别是在纳米尺度的公差数以千计，修正起来非常困难。 但事实上，重建算法在纠正错误方面做得非常好，不仅可以实现具有极高DoF的全色成像，而且还能消除元光学所引起的光学畸变。相信随着光学技术的进步，未来的影像作品将会迎来翻天覆地的变化。

该技术将在消费者摄影、光学显微镜和机器视觉等领域发挥作用