受三葉蟲啟發的光場相機，景深如何做到無窮遠

崇光

納米光子光場相機正在進步中，近期研究人員基于已滅絕的寒武紀三葉蟲（Dalmanitina socialis）的眼睛，制造出可提供極深的景深，范圍從厘米到千米的機型。

在相機聚焦完成后，焦點前后的范圍內所呈現的清晰圖像的距離，這一前一后的范圍，便叫作景深。不同于人眼的構造，我們看外界事物，10cm和無限遠的焦點都是清晰的，但是光學成像的相機卻不是如此，比如我們拍甲蟲微距，甲蟲頭部和尾部清晰，但是它前后10cm左右的花草會有虛化現象;又比如拍攝幾公里外大樓，這沿線的幾十棟建筑有些清晰有些模糊，這都是景深造成的。

在鏡頭前方（焦點的前、后）有一段一定長度的空間，當被攝物體位于這段空間內時，其在底片上的成像恰位于同一個彌散圓之間。換言之，在這段空間內的被攝體，其呈現在底片面的影像模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內，這段空間的長度就是景深。

納米光子光場相機利用神經網絡的重建算法來消除相機“超透鏡”陣列導致的光學像差。但是我們知道，三葉蟲已經滅絕了數億年，其眼部構造和現代的復眼昆蟲有何不同呢？

根據科學家對化石遺骸的研究表明，三葉蟲是最早擁有復眼的節肢動物之一，今天許多生物都有復眼，包括昆蟲和甲殼類動物，現代節肢動物都有一個單一的焦點視覺系統。然而，Dalmanitina socialis擁有獨特的復眼視覺系統。它有兩個不同折射率的光學均勻透鏡單元，一個由方解石制成的具有中央凸起的上透鏡單元和一個由有機化合物制成的下透鏡單元。Dalmanitina socialis 的每個復眼都能夠同時將入射光聚焦到近點和遠點，類似于同軸雙焦透鏡，這種獨特的眼睛結構使生物體能夠同時看到近距離和遠距離捕食者的獵物。

再來補習一下光場相機知識，它們能夠捕獲有關場景光場的信息并測量光的強度和光的傳播方向。光場相機可以測量光的顏色、深度、鏡面反射、透明度、折射和遮擋。

光場相機機身和一般數碼相機差不多，但內部結構大有不同。一般相機以主鏡頭捕捉光線，再聚焦在鏡頭后的膠片或感光器上，所有光線的總和形成相片上的小點，顯示影像。而光場相機一反傳統，減低鏡頭孔徑大小及景深，以小鏡陣列控制額外光線，不用犧牲景深以及影像清晰度。

Dalmanitina socialis獨特的眼睛結構

光場成像相機的概念草圖，具有超透鏡陣列實現自旋相關雙焦光場成像的系統工作原理

光場相機的鏡頭有不同的方法，一種選擇是在焦平面上使用微透鏡陣列，比如Lytro機型。這款機型是美國Lytro公司研發的全球首款“先拍照后對焦”的光場相機，它可以讓你先把照片拍下，然后再到電腦上對照片進行對焦或重新對焦。不僅如此，Lytro相機拍下的照片，時隔幾個月后還能用其他方法做事后調整，你可以讓任何景物立刻成為拍攝焦點，完全不去考慮景深問題;或者是改變觀看照片的視角，將一張照片在2D和3D模式之間來回切換。

Dalmanitina socialis的進步在于，在不損失空間分辨率、不損失顏色信息、不關閉光圈以至于快門速度成為問題的情況下擴展景深。而這正是這些雙焦三葉蟲鏡頭所激發的突破性進展。該團隊設計了一個金屬透鏡陣列，其在玻璃的平面上鑲嵌著一堆微小的、矩形的、納米級的二氧化鈦柱子。這些柱子中的每一個都被精確地塑造和定向進而以特定的方式操縱光線：偏振（橫波的振動矢量）在這里發揮了關鍵作用——如果光線是左圓偏振（LCP）或右圓偏振（RCP），納米柱子會以不同的數量彎曲光線。由于不同的彎曲量導致了不同的焦點，因此研究人員已經有效地有了兩個焦點可以使用。

問題是，一個傳感器只能從這些焦點中的一個捕捉到焦點圖像。對此，研究人員定位了這些納米柱狀金屬片以確保進入每個納米柱狀金屬片的一些光線必須通過矩形的長邊，而一些則通過較短的路徑。同樣，這使光線發生了兩種不同程度的彎曲并產生了兩個不同的焦點——一個像微距鏡頭一樣近距離聚焦，另一個像長焦鏡頭一樣遠距離聚焦，所以在這個和偏振之間，研究人員有四個圖像需要處理。

超透鏡使得長焦光束的左圓形偏振版跟右圓形偏振版在完全相同的平面上聚焦，進而使它們都能同時被一個光場傳感器清晰地聚焦記錄，而不損失任何空間分辨率。

研究團隊設計建造了一個39×39的超透鏡陣列，近焦點設置在僅3厘米處，遠焦點設置在1.7千米處。他們設計并編碼了一個使用多尺度卷積神經網絡的重建算法，這樣可以用來糾正超透鏡所帶來的許多畸變，特別是在納米尺度的公差數以千計，修正起來非常困難。 但事實上，重建算法在糾正錯誤方面做得非常好，不僅可以實現具有極高DoF的全色成像，而且還能消除元光學所引起的光學畸變。相信隨著光學技術的進步，未來的影像作品將會迎來翻天覆地的變化。

該技術將在消費者攝影、光學顯微鏡和機器視覺等領域發揮作用