美國NIST研究人員從5億年前三葉蟲中獲得靈感展示一種全新的光場相機 _美國

美國NIST研究人員從5億年前三葉蟲中獲得靈感展示一種全新的光場相機
（）據(jù)cnBeta：在攝影中，景深指的是相機可以同時對準多少三維空間，如淺景深會使主體保持清晰但模糊了大部分的前景和背景。現(xiàn)在，美國國家標準和技術研究所(NIST)的研究人員從古代三葉蟲中獲得靈感，進而展示了一種全新的光場相機，據(jù)悉，它的景深是有記錄以來最深的。
大約5億年前，三葉蟲在海洋中成群結隊，是今天的馬蹄蟹的遠親。它們的視覺系統(tǒng)相當復雜--包括復眼并具有數(shù)萬至數(shù)千個微小的獨立單元，而每個單元都有自己的角膜、晶狀體和光感受器細胞。
特別是一種三葉蟲--Dalmanitina socialis因其獨特的復眼結構而吸引了NIST研究人員的注意。化石記錄檢查表明，這個小家伙在其整個視覺系統(tǒng)中都有雙層透鏡，這跟當今節(jié)肢動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凸起，進而形成第二個焦點。這意味著Dalmanitina socialis能夠同時聚焦于它面前的獵物和可能從更遠處接近的捕食者。
研究小組決定看看它是否能將這種想法應用于光場相機。普通的相機基本上是在一個二維的網格中接收光線并記錄顏色和亮度信息，而光場相機則要復雜得多，其不僅要對顏色和亮度進行編碼還要對進入傳感器的每條光線的方向進行編碼。
當整個光場以這種方式被捕獲時，最終會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整諸如焦點、景深、傾斜和透視位移。
根據(jù)NIST團隊的說法，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(fā)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。據(jù)悉，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。
偏振在這里發(fā)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(shù)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(fā)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。
如果在這一點上數(shù)學還不夠瘋狂的話，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。
研究團隊設計并建造了一個39 x 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公里處。另外，它設計并編碼了一個使用多尺度卷積神經網絡的重建算法，這樣可以用來糾正這1,521個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。經過一個簡單的校準過程和訓練，它可以準確地找出一個特定的超透鏡陣列如何以及在哪里偏離了完美--在色差、模糊和其他光學缺陷方面，它可以做出修正，然后可以很容易地應用于任何拍攝的圖像。
更重要的是，雖然它的兩個焦點相距超過一英里，但重建算法可以銳利地重建放在它們之間的任何物品，進而創(chuàng)造出一個可以被設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在地平線上的物體一樣異常清晰和銳利。
事實上，重建算法在糾正錯誤方面做得非常好，研究小組曾使用這種技術的光場相機將不必以極高的精度來制造。也就是說，該團隊認為它應該是相對容易制造的。
正如發(fā)表在《Nature Communications》上的研究報告所解釋的那樣--“這種受生物啟發(fā)的納米光場相機加上計算后處理，不僅可以實現(xiàn)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。”
研究團隊認為這項技術可以在消費者攝影、光學顯微鏡和機器視覺等領域發(fā)揮作用，但由于它在這一點上是相當新鮮的研究，所以大家還是不要期待它很快就會上架。

美國NIST研究人員從5億年前三葉蟲中獲得靈感 展示一種全新的光場相機

美國NIST研究人員從5億年前三葉蟲中獲得靈感展示一種全新的光場相機