大約5億年前，三葉蟲在海洋中成群結(jié)隊(duì)，是今天的馬蹄蟹的遠(yuǎn)親。它們的視覺系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜--包括復(fù)眼并具有數(shù)萬至數(shù)千個(gè)微小的獨(dú)立單元，而每個(gè)單元都有自己的角膜、晶狀體和光感受器細(xì)胞。

特別是一種三葉蟲--Dalmanitina socialis因其獨(dú)特的復(fù)眼結(jié)構(gòu)而吸引了NIST研究人員的注意?；涗洐z查表明，這個(gè)小家伙在其整個(gè)視覺系統(tǒng)中都有雙層透鏡，這跟當(dāng)今節(jié)肢動(dòng)物王國中的任何其他東西都不同，并且這些透鏡的上層在中間都有一個(gè)凸起，進(jìn)而形成第二個(gè)焦點(diǎn)。這意味著Dalmanitina socialis能夠同時(shí)聚焦于它面前的獵物和可能從更遠(yuǎn)處接近的捕食者。

研究小組決定看看它是否能將這種想法應(yīng)用于光場相機(jī)。普通的相機(jī)基本上是在一個(gè)二維的網(wǎng)格中接收光線并記錄顏色和亮度信息，而光場相機(jī)則要復(fù)雜得多，其不僅要對顏色和亮度進(jìn)行編碼還要對進(jìn)入傳感器的每條光線的方向進(jìn)行編碼。

當(dāng)整個(gè)光場以這種方式被捕獲時(shí)，最終會(huì)得到足夠的信息來重建色彩、深度、透明度、鏡面、折射和遮擋方面的場景，而且還可以在照片拍完后調(diào)整諸如焦點(diǎn)、景深、傾斜和透視位移。

根據(jù)NIST團(tuán)隊(duì)的說法，迄今為止的問題是在不損失空間分辨率、不損失顏色信息、不關(guān)閉光圈以至于快門速度成為問題的情況下擴(kuò)展景深。而這正是這些雙焦三葉蟲鏡頭所激發(fā)的突破性進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)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。據(jù)悉，這些柱子中的每一個(gè)都被精確地塑造和定向進(jìn)而以特定的方式操縱光線。

偏振在這里發(fā)揮了關(guān)鍵作用--如果光線是左圓偏振(LCP)或右圓偏振(RCP)，納米柱子會(huì)以不同的數(shù)量彎曲光線。由于不同的彎曲量導(dǎo)致了不同的焦點(diǎn)，因此研究人員已經(jīng)有效地有了兩個(gè)焦點(diǎn)可以使用。問題是，一個(gè)傳感器只能從這些焦點(diǎn)中的一個(gè)捕捉到焦點(diǎn)圖像。

對此，研究人員定位了這些納米柱狀金屬片以確保進(jìn)入每個(gè)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(fā)生了兩種不同程度的彎曲并產(chǎn)生了兩個(gè)不同的焦點(diǎn)--一個(gè)像微距鏡頭一樣近距離聚焦，另一個(gè)像長焦鏡頭一樣遠(yuǎn)距離聚焦，所以在這個(gè)和偏振之間，研究人員有四個(gè)圖像需要處理。

如果在這一點(diǎn)上數(shù)學(xué)還不夠瘋狂的話，研究人員隨后想出了精確的超透鏡幾何形狀，這使得長焦光束的左圓形偏振版跟宏焦光束的右圓形偏振版在完全相同的平面上聚焦，進(jìn)而使它們都能同時(shí)被一個(gè)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)39 x 39的超透鏡陣列，近焦點(diǎn)設(shè)置在僅3厘米處，遠(yuǎn)焦點(diǎn)設(shè)置在1.7公里處。另外，它設(shè)計(jì)并編碼了一個(gè)使用多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重建算法，這樣可以用來糾正這1,521個(gè)微小的雙重用途超透鏡所帶來的所有許多畸變，特別是考慮到在納米尺度上保持嚴(yán)格的制造公差是一件非常困難的事情。

這種重建算法被證明是一種寶石。經(jīng)過一個(gè)簡單的校準(zhǔn)過程和訓(xùn)練，它可以準(zhǔn)確地找出一個(gè)特定的超透鏡陣列如何以及在哪里偏離了完美--在色差、模糊和其他光學(xué)缺陷方面，它可以做出修正，然后可以很容易地應(yīng)用于任何拍攝的圖像。

更重要的是，雖然它的兩個(gè)焦點(diǎn)相距超過一英里，但重建算法可以銳利地重建放在它們之間的任何物品，進(jìn)而創(chuàng)造出一個(gè)可以被設(shè)置為有史以來最大景深的最終圖像，其中距離鏡頭一英寸半的物體跟遠(yuǎn)在地平線上的物體一樣異常清晰和銳利。

事實(shí)上，重建算法在糾正錯(cuò)誤方面做得非常好，研究小組曾使用這種技術(shù)的光場相機(jī)將不必以極高的精度來制造。也就是說，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它應(yīng)該是相對容易制造的。

正如發(fā)表在《Nature Communications》上的研究報(bào)告所解釋的那樣--“這種受生物啟發(fā)的納米光場相機(jī)加上計(jì)算后處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)具有極高DoF的全色成像，而且還能消除元光學(xué)所引起的光學(xué)畸變?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可以在消費(fèi)者攝影、光學(xué)顯微鏡和機(jī)器視覺等領(lǐng)域發(fā)揮作用，但由于它在這一點(diǎn)上是相當(dāng)新鮮的研究，所以大家還是不要期待它很快就會(huì)上架。