如果你是一位苹果手机用户，那么基本都会遭遇这一困扰：手机镜头总会凸一块，平放在桌上永远不是水平状态。此刻的强迫症“患者”们一定会忍不住念叨一句：好烦哦，能把手机镜头按进去吗？
未来或许真的可以。南京大学的科研人员正在朝着让镜头轻薄的目标在迈进。近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授、陆延青教授团队联合电子科学与工程学院闫锋教授团队研发出的一款具有极限成像景深的“超构透镜光场相机”，实现了从厘米量级到公里量级范围内的高分辨成像，还可以消除由超构表面器件引起的色差，相关成果近日发表在了《自然·通讯》上。
什么是“超构透镜”？
摄像发烧友都知道景深这个词，指的是照片中清晰的范围。如何用上百张照片合成一张全景深的风景图，网络上有不少的教程。记者了解到，这样从近到远都很清晰的照片，未来有可能通过“超构透镜”技术一张搞定。
说到该镜头的神奇性能，还得从超构透镜带来的颠覆性革命说起。实际上，我们今天所使用的传统镜头还是19世纪的“旧技术”。为什么手机背面的镜头总是凸出来？这与传统镜头繁琐的“透镜组”有关。徐挺告诉记者，传统镜头在成像时，整颗镜头相当于是一个复杂的透镜组，“手机一颗小小的摄像头，是由5-7片透镜组合而成，每一片精密研磨的镜片都有各自的职责。”
而超构透镜之所以备受期待，最直接的在于其轻薄性。“不同于厚厚的曲面的传统镜头，它是一种光学纳米材料平面透镜。” 徐挺科普道，在曲面的传统透镜中，不同波长的光会相继通过镜头，从而产生色差，而超构透镜利用纳米结构聚光，可以避免色差的出现。此外，这种超结构的表面，还能通过光与纳米尺度排列的亚波长结构局部相互作用，对光的振幅、偏振态等进行调控，徐挺举例说，利用这种微纳结构可以对可见光的光谱进行精准调控。课题组曾经联合美国国家标准与技术研究院的研究人员，用承载了微纳结构的玻璃片，合作完成一项利用自然光结构色来绘画的实验，在微观尺度上超高精度地复现了17世纪荷兰画家约翰内斯·维米尔的传世画作《戴珍珠耳环的少女》。
从史前动物三叶虫的复眼结构中获取灵感
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。
相关专利正在审批中
“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，最大限度的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。
该工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省双创团队等项目资助，以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。
扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子
校对 徐珩
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