近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院徐挺教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科學(xué)與工程學(xué)院閆鋒教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款具有極限成像景深的超構(gòu)透鏡光場相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了景深范圍從厘米量級到公里量級的大景深消色差光場成像。

景深是成像系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它是指在像平面得到清晰的目標(biāo)物體時(shí)，物方空間的前后可移動(dòng)范圍。在日常攝影中，人們都習(xí)慣于先對焦后拍攝，主要是由于普通相機(jī)的景深有限，無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)視野范圍內(nèi)的清晰成像。拓展景深成像可以提高視野的縱向清晰范圍，在光學(xué)顯微、攝影、機(jī)器視覺、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。擴(kuò)展景深最簡單的方式就是縮小光圈，使得投影光線發(fā)散得更慢一些。但是，減小光圈將限制光學(xué)系統(tǒng)的通光量，極大的降低成像質(zhì)量。其他關(guān)于拓展景深的方法還包括機(jī)械掃描、波前編碼以及多層透明探測器疊加等。然而，這些方法在拓展景深的同時(shí)均以損失部分成像性能為代價(jià)(如通光量、時(shí)間分辨、彩色成像能力或成像保真度)。 

圖1.超構(gòu)表面透鏡陣列實(shí)現(xiàn)極限景深全彩成像

源于史前生物三葉蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)研究中獲取的靈感，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種高性能的大景深成像方法，從組成器件、系統(tǒng)構(gòu)架以及重構(gòu)算法三個(gè)層面構(gòu)建了一套完整的仿生光場成像系統(tǒng)(圖1)。構(gòu)建該成像系統(tǒng)的基本思想是通過充分利用超構(gòu)表面中的偏振光學(xué)特性和色散效應(yīng)，最大限度的獲取目標(biāo)場景的景深信息，再通過多尺度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像重建。圖2為微納加工制備的超構(gòu)表面透鏡陣列及其性能測試表征。通常，在基于衍射器件的成像系統(tǒng)中，器件的色散效應(yīng)會(huì)引入嚴(yán)重的色差，很大程度上降低了成像質(zhì)量，這是導(dǎo)致衍射器件難以應(yīng)用于彩色成像的重要因素。而本研究反其道而行，把色散效應(yīng)當(dāng)作一種調(diào)制方式加以利用，聯(lián)合光譜與偏振維度對場景信號進(jìn)行調(diào)制。原始的場景信息經(jīng)過光譜與偏振維度的調(diào)制后被傳感器采集，后續(xù)重建算法則根據(jù)采集到的調(diào)制信號，解耦出清晰的大景深圖像。 

圖2.（a）超構(gòu)表面透鏡陣列的光學(xué)顯微圖像；（b）SEM圖像；（c）雙焦超構(gòu)表面色散效應(yīng)。