几百万年前的古生物，让“超镜头”实现极限景深(2)

除了轻薄和在成像技术方面的优势，这种纳米平面结构的镜头生产起来其实并不是很难。“对微尺度结构制造能力的提升，正是过去几十年集成电路技术进步的最主要动力。”徐挺表示，事实上，超构透镜可以由现有的半导体代工厂大规模生产，从而大幅降低成本，可以用于照相手机、传感器、光纤线路以及诸如内窥镜之类的医学成像设备中。
作为光学领域的一项革命性技术，全世界的科研人员正在对超构透镜的各种成像性能开展了深入广泛的研究。目前超构透镜成像的有效视场范围还非常受限，因此课题组针对的正是成像系统的这一重要指标即景深。
“日常摄影中，人们都习惯于先对焦后拍摄，主要是由于普通相机的景深有限，无法覆盖整个视野范围。”徐挺举了个例子，比如拍大头照时，当对焦落在了人脸上，后面的背景则往往是虚化的，传统镜头景深在拓展景深的同时，都是以损失部分成像性能为代价的。
如何获得更大更极限的景深？研究团队从史前动物三叶虫的复眼结构中获取了灵感。“尽管三叶虫是一种已经灭绝了几百万年的生物，但研究人员发现了它不同于其他昆虫的特点，它的许多个复眼既能近处对焦，也能远处对焦，形成多个像点，拼出不一样的图像，这与计算机图像形成原理相似。”徐挺说，这或许因为三叶虫既要捕食近处的浮游生物，又要躲避远处生物的猎食，这种“超级眼睛”是其长期进化出的功能，让它能看到不一样的世界。
“尽管我们已经无从得知三叶虫的眼睛能否感知连续不断的景深，但我们基于此提出了一种高性能的大景深成像方法。”徐挺介绍，团队从组成器件、系统构架以及重构算法三个层面构建了一套完整的仿生光场成像系统，“我们利用了超构透镜中的阵列排布，最大限度地获取了目标场景的景深信息，再通过多尺度人工神经网络进行图像的重建。”徐挺说，在成像实验中，团队布置了具有较大纵向深度的实验场景，一块印有不透明字母的玻璃被放置在距主镜3厘米位置，最远的高楼距离约为1.7公里，整个场景的图像清晰可见，“而同样的情况，用传统相机拍，我们需要一个微距镜头，外加一个长焦镜头，通过多次叠加拍摄才能合成而出”。
这项研究工作实际上是纳米光子学与计算成像学的深度融合，同时也为未来先进成像技术的发展提供了重要参考。徐挺透露，目前相关专利正在审批中，团队正进一步打磨技术将其实用化。
南京大学副研究员范庆斌博士、博士研究生徐伟祝以及副研究员胡雪梅博士为该项工作的共同第一作者。徐挺教授、陆延青教授、岳涛副教授以及闫锋教授为论文的共同通讯作者，南京大学为论文第一单位。