Nat. Commun.|基于三叶虫复眼的超长景深微型相机

在五亿年前，有大量三叶虫生活在远古海洋中。由于三叶虫具有复眼，每个小眼睛都有自己的角膜、晶状体和感光细胞，他们的观察视野十分广泛。其中，有一种叫做Dalmanitina socialis的三叶虫能看到异常远的物体。它们的眼睛具有双焦点，可视为由两个镜片组成，因此能够将光线以不同的角度弯曲，使它们能够同时看到漂浮在附近的猎物以及接近一公里多外的远处的敌人。

三叶虫的复眼。

受到D. socialis三叶虫复眼的启发，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员开发了一种配备双焦镜头的微型相机，并实现了超长的“创纪录的景深”。该相机可以同时对最接近 30 毫米和最远 1.7 公里的物体进行成像。研究人员还设计了一种计算机算法来校正像差，在这些近焦和远焦之间的中间距离处锐化物体，并最终生成覆盖这个巨大景深的全焦图像。研究成果已经发表于Nature Communications，主要研究人员包括来自NIST 的Amit Agrawal 和 Henri Lezec，以及来自美国马里兰大学帕克分校和中国南京大学的研究人员。

NIST的研究人员表示，这种轻巧、大景深的相机将纳米级的光子技术与软件驱动的摄影相结合，有望彻底改变未来的高分辨率成像系统。特别地，这些相机将大大提高城市景观成像的能力，为拍摄大视野中的生物群，以及其他以近处和远处物体为特征的摄影应用提供了解决方案。

双焦镜头同时对近处和远处的物体成像的示意图。

超透镜

研究人员制造了一系列微小的超透镜，由蚀刻有纳米尺寸的柱体的超薄膜组成，这些纳米柱体组用于调控光。本文设计的微透镜包括数百万个微小的矩形纳米柱，其镶嵌在一块平坦的玻璃上。

组成纳米柱的形状和方向通过特殊设计，能够同时充当微距镜头和远摄镜头，对来自近处和远处的物体成像。具体地，当入射光入射到超表面上时，一些入射光穿过矩形柱较长的部分，而另一些则穿过较短的部分。当光程更长时，入射光通过的材料较少，从而光线会积累更多的弯曲；当光程较短时，光通过的材料较少，从而光线弯曲较少。

然而，此时会使处于中间距离的物体无法聚焦。因此，研究人员又使用神经网络学习，使成像软件能够识别和纠正位于元透镜近焦和远焦中间的物体中的缺陷，例如模糊和色差。实验上，研究人员将各种颜色、形状和大小的物体放置在不同场景中的不同距离来测试该相机，并应用软件校正来生成在整个千米景深范围内聚焦且无像差的最终图像。

此新型超透镜在不牺牲图像分辨率的情况下提高了聚光能力。此外，由于该系统会自动校正像差，因此具有很高的容错性，使研究人员能够使用简单、易于制造的微型镜头设计。