有史以來最大景深光學相機,3 公分到 1.7 公里範圍內全對焦

作者 | 發布日期 2022 年 05 月 01 日 16:38 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


受滅絕三葉蟲(Trilobita)複眼結構啟發,科學家最近設計出一種新型鏡頭,搭配電腦算法調整,最終可拍出在 3 公分~1.7 公里範圍內所有物體完全對焦的高清晰圖像。

景深(Depth of field,DOF)是指相機對焦點前後相對清晰的成像範圍,或者說能清楚成像的範圍,位於景深內的圖像看起來較清楚,超出範圍的圖像則較模糊,比如拍照時對焦於畫面主體人物使其保持清晰,但大部分前景與背景變模糊,就是淺景深的運用。

但最近美國國家標準暨技術研究院(NIST)團隊從古代三葉蟲汲取靈感,展示了有史以來最大景深的新型光場相機。

三葉蟲(Trilobita)如今已滅絕,最早出現於 5 億年前海洋中,牠們的視覺系統相當複雜,典型眼睛結構為複眼,每個小眼內都有獨自角膜、晶狀體和感光細胞。其中,Dalmanitina socialis 品種吸引了研究人員注意。

▲ 受三葉蟲啟發而設計的新型鏡頭。

化石記錄表明,Dalmanitina socialis 每個小眼都有雙焦點,就像由 2 個透鏡組成,能以不同角度彎曲光線;或者說 Dalmanitina socialis 的注意力可同時集中在它面前的獵物,以及 1 公里外正在接近的掠食者,與當今所有節肢動物都不同。

研究人員因此開發出一種配備雙焦鏡頭的微型相機,帶來創紀錄景深——且相機可在這段距離內生成一張清晰照片。團隊表示,相機可同時對近至 3 公分與遠至 1.7 公里的物體成像,接著他們設計一種算法來校正像差,銳化近焦與遠焦範圍內所有物體,最終生成了覆蓋這段巨大景深的全焦圖像。

細講內部設計,這種大景深相機稱為超透鏡,團隊在一個平坦的玻璃表面鑲嵌數百萬個奈米柱,且這些柱子能以特定方式(根據形狀和方向變化)操縱光,同時充當微距鏡頭(用於近距離物體)和遠攝鏡頭(用於遠距離物體)。

▲ 超透鏡內排列方向不同的奈米柱。

再深入一點,光被分為左圓偏振光(LCP)和右圓偏振光(RCP),左圓偏振光帶逆時針旋轉的電場,右圓偏振光則帶順時針旋轉的電場,而奈米柱排列方向會以不同的量彎曲光,比如團隊設計了矩形奈米柱,因此有些偏振光必須穿過矩形較長部分,另一些穿過較短部分,前者因為穿過更多材料,因此經歷更多彎曲,後者通過的材料較少,彎曲也較少。

隨著彎曲程度不同的光產生了兩個不同焦點,最終產生遠處物體(1.7 公里外)和附近物體(3 公分)的圖像。但若不進一步處理,中間距離物體無法聚焦,於是團隊另行設計算法來識別中間範圍內物體,最終透過軟體校正生成 3 公分到 1.7 公里範圍內全對焦且無像差的圖像。

研究人員還表示,採用這種技術的相機製造精度沒有想像中高,也就是說應該相對容易投入實際應用,有望徹底改變未來的高解析度成像系統,對生成城市景觀、大片生物群等攝影大有幫助。

新論文發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

(首圖來源:美國國家標準暨技術研究院

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