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、陸延青教授團隊聯(lián)合電子科學(xué)與工程學(xué)院閆鋒教授團隊研發(fā)出一款具有極限成像景深的超構(gòu)透鏡光場相機，實現(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，它是指在像平面得到清晰的目標物體時，物方空間的前后可移動范圍。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的景深有限，無法實現(xiàn)整個視野范圍內(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、機器視覺、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。擴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均以損失部分成像性能為代價（如通光量、時間分辨、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，研究團隊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場景的景深信息，再通過多尺度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行圖像重建。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)會引入嚴重的色差，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)。
在成像實驗中，研究人員布置了具有較大縱向深度（厘米至公里量級）的實驗場景。一塊印有不透明字母的玻璃被放置在距主鏡光闌3厘米的位置作為最近的物體，最遠的高樓距離約為1.7公里。圖3a、b分別為自然光條件下像差校正前后的光場子圖像。從放大后的子圖（圖3c,d）中可以清楚地看到，成像系統(tǒng)光學(xué)像差引起的模糊效應(yīng)可以很大程度上被消除。進一步利用圖像融合算法，可以得到整個場景的清晰圖像（圖3e）。因此，該成像系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)高分辨的大景深成像，而且可以消除由超構(gòu)表面器件引起的色差。該研究工作是納米光子學(xué)與計算成像學(xué)的深度融合，同時也為將來先進成像技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。
圖3 室外場景的成像實驗。（a-b）分別為自然光條件下像差校正前后的光場子圖像；(c-d)為部分放大的子圖像；(e)最終的清晰圖像。
相關(guān)成果以“Trilobite-inspired neural nanophotonic light-field camera with extreme depth-of-field”為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院16級博士生范慶斌（現(xiàn)為電子科學(xué)與工程學(xué)院副研究員）、電子科學(xué)與工程學(xué)院20級博士生徐偉祝以及副研究員胡雪梅博士為該項工作的共同第一作者。現(xiàn)工院徐挺教授、陸延青教授，電子學(xué)院岳濤副教授以及閆鋒教授為論文的共同通訊作者，南京大學(xué)為論文第一單位，合作單位包括華中科技大學(xué)以及美國國家標準技術(shù)研究院。本工作得到了包括科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省雙創(chuàng)團隊等項目資助，以及人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29568-y
延伸閱讀：
《超材料和超表面技術(shù)及市場-2021版》
《新興圖像傳感器技術(shù)、應(yīng)用及市場-2021版》
