以古生物三叶虫为灵感的相机拥有巨大的景深

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NIST

受已灭绝的三叶虫（trilobites）眼睛的启发，研究人员发明了一种微型相机，其景深创下了历史纪录，即相机在一张照片中可以产生清晰图像的距离。新研究表明，在人工智能的帮助下，该设备可以同时成像近3厘米、远1.7公里的物体。

五亿年前，海洋中充斥着像马蹄蟹一样的三叶虫。在所有早期的动物中，这些装甲无脊椎动物在灭绝之前在地球上生活了大约2.7亿年。

像昆虫一样，三叶虫有复眼。有一种三叶虫，Dalmanitina Socialis，更是拥有一种独特的复眼。它的每只眼睛都有两组透镜，可以将光线弯曲成不同的角度，就像双焦点一样。这些眼睛帮助这个物种同时看清远和近。

来自中国多个实验室和马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所（NIST）的科学家利用D.socialis的眼睛帮助他们开发了一种新的光场相机。这些相机试图捕捉可能从场景中的每个点和每个方向传播的光线场。

S. KELLEY/NIST

以前的光场相机通常使用微型透镜阵列来捕捉来自不同方向的光线。然而，这些先前的设备通常在分辨率和景深之间进行权衡。

科学家们制作了超表面透镜，这种透镜由平板玻璃制成，上面镶嵌着数百万个矩形纳米级柱。这些金属透镜从一个场景中捕获的光可以分为两部分，两部分光波是右手圆极化的，这意味着它们的电场顺时针旋转，左手圆极化的，这意味着它们的电场逆时针旋转。

纳米柱的设计使得每根纳米柱都能将右手和左手圆偏振光弯曲不同的量。右手圆偏振光必须穿过每个矩形纳米柱的较长部分，而左手圆偏振光必须穿过较短部分。在较长路径上行驶的光必须通过更多的材料，并经历更大的弯曲。

弯曲程度不同的光线会聚焦到不同的焦点。弯曲度越大，灯光聚焦得越近。因此，右手圆偏振光聚焦于近物体，而左手圆偏振光聚焦于远物体。

NIST

NIST电气工程师Amit Agrawal表示：“没有等效的体光学元件可以实现这一功能，即同时将光聚焦到近距离和远距离。这只有通过我们在纳米尺度上设计光与物质相互作用的能力才能实现。”

总而言之，这种金属透镜可以同时像长焦镜头一样聚焦于远处的物体，像微距镜头一样聚焦于近处的物体。然而，这意味着镜头本身无法聚焦在中间距离的物体上，例如，距离相机只有几米的物体。

为了解释这个中间空间，研究人员使用了一个卷积神经网络，这个系统大致模拟了人脑如何处理视觉数据，以识别和纠正模糊等缺陷。这有助于相机在单次拍摄的大景深上重建光场数据。这种消除像差的系统也有助于使相机高度耐受金属中的任何潜在缺陷。

Agrawal说：“超表面光学的美妙之处以及商业部门的巨大兴趣在于，现在人们可以设想在标准CMOS铸造平台上制造光子元件。这将有助于扩大制造规模和降低成本等等。”

研究人员表示，他们的相机可能会应用于消费类相机、机器视觉、光学显微镜等领域。

Agrawal说：“我认为需要做更多的工作，手机或智能眼镜中的处理器才能做到这一点。但从光学角度来看，我认为没有根本障碍。”

科学家们在近日的《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的在线发现。

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