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

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作者 Emma stein | 發布日期 2022年08月04日 12：07

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（Depthof 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，Dalmanitinasocialis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。