3厘米-2公里相机：受三叶虫启发的相机拥有巨大的景深

这里通过扫描电子显微镜图像显示的相机的Metalens镜头镜头，是由一排排整齐的不同形状的氧化钛纳米柱组成的。

受已灭绝的三叶虫眼睛的启发，研究人员创造了一种微型照相机，其景深创下了一个新纪录，该照相机在一张照片中能产生清晰图像的距离。他们的新研究显示，在人工智能的帮助下，他们的设备可以同时对近至3厘米和远至1.7公里的物体进行成像。

5亿年前，海洋中充斥着马蹄蟹般的三叶虫。作为所有早期动物中最成功的动物之一，这些装甲的无脊椎动物在地球上生活了大约2.7亿年才灭绝。

像昆虫一样，三叶虫拥有复眼。有一个三叶虫物种，Dalmanitina socialis，拥有一种独特的复眼，以前和以后都没有见过。它的两只眼睛都安装在一个柄上，每只眼睛都有两套镜片，可以从不同角度弯曲光线，就像双眼皮一样。这些眼睛帮助这个物种同时看到近处和远处。

来自中国的几个实验室科学家和位于马里兰州盖瑟斯堡的国家标准与技术研究所（NIST）的科学家们利用D. socialis（Dalmanitina socialis）的眼睛来帮助他们开发一种新的光场相机。这些相机试图捕捉可能从一个场景中的每个点和每个方向传播的光线场。

以前的光场相机通常使用微小的镜头阵列来捕捉来自不同方向的光线。然而，这些先前的设备往往在分辨率和景深之间进行折衷。

Metalens是以三叶虫的复合透镜为模型，同时聚焦近处[兔子]和远处[树]的物体。

在新的研究中，研究人员用元表面进行了实验，元表面是覆盖着微观支柱的森林。通过调整这些柱子之间的间距（通常小于一个波长的光）以及它们的大小和形状，元表面可以以各种方式操纵光纤。

科学家们制造了由平坦的玻璃板组成的元表面透镜，上面镶有数百万个纳米级的矩形柱子。这些Metalens镜头透镜从一个场景中捕捉到的光可以分为两个相等的部分：分别是右旋圆极化和左旋圆极化的光波。其中右旋圆极化的光波，意味着它们的电场顺时针旋转，而左旋圆极化的光波，意味着它们的电场逆时针旋转。

纳米柱的设计导致每个纳米柱以不同的数量弯曲右手和左手圆极化的光。右手圆偏振光必须穿过每个矩形纳米柱的较长部分，而左手圆偏振光则流经较短部分。在较长路径上行进的光不得不通过更多的材料，并经历更大的弯曲。

被不同程度弯曲的光会被带到不同的焦点。弯曲度越大，光就越接近聚焦。正因为如此，右手的圆偏振光被聚焦在近处的物体上，而左手的圆偏振光则被聚焦在远处的物体上。

受一种三叶虫的复眼启发，NIST和中国实验室的研究人员开发了一种可以同时对近处和远处物体进行成像的Metalens。

"没有任何等效的散装光学元件可以实现这一功能。即同时聚焦近处和远处的光线，"研究报告的共同作者、美国国家技术研究所的电子工程师阿米特·阿格拉瓦尔说。"这只有通过我们在纳米长度尺度上设计光-物质相互作用的能力才能实现。"

总而言之，这种Metalens镜头可以同时像长焦镜头一样聚焦于远处的物体，又像微距镜头一样聚焦于近处的物体。然而，这将意味着该镜头本身不能聚焦于中间距离的物体：例如，距离相机只有几米远的物体。

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：一个大致模仿人脑处理视觉数据的系统来识别和纠正诸如模糊的缺陷。这有助于相机在单次拍摄中重建大景深的光场数据。这种消除像差的系统也有助于使相机对Metalens镜头原件中的任何潜在缺陷具有高度容忍性。

阿格拉瓦尔说："元表面光学的魅力，以及来自商业部门的巨大兴趣，是现在人们可以设想在一个标准的CMOS代工平台上制造光子组件。这将扩大制造规模，降低成本，等等。"

研究人员建议他们的相机可能会在消费者相机、机器视觉、光学显微镜等方面找到用途。

阿格拉瓦尔说："我认为还需要做一些工作，我们的手机或智能眼镜中的处理器可以做到这一点。但从光学角度来看，我认为没有根本性的障碍。"

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