如果你是一位蘋果手機用戶，那么基本都會遭遇這一困擾：手機鏡頭總會凸一塊，平放在桌上永遠不是水平狀態。此刻的強迫癥“患者”們一定會忍不住念叨一句：好煩哦，能把手機鏡頭按進去嗎？

未來或許真的可以。南京大學的科研人員正在朝著讓鏡頭輕薄的目標在邁進。近日，南京大學現代工程與應用科學學院徐挺教授、陸延青教授團隊聯合電子科學與工程學院閆鋒教授團隊研發出的一款具有極限成像景深的“超構透鏡光場相機”，實現了從厘米量級到公里量級范圍內的高分辨成像，還可以消除由超構表面器件引起的色差，相關成果近日發表在了《自然·通訊》上。

什么是“超構透鏡”？

攝像發燒友都知道景深這個詞，指的是照片中清晰的范圍。如何用上百張照片合成一張全景深的風景圖，網絡上有不少的教程。記者了解到，這樣從近到遠都很清晰的照片，未來有可能通過“超構透鏡”技術一張搞定。

說到該鏡頭的神奇性能，還得從超構透鏡帶來的顛覆性革命說起。實際上，我們今天所使用的傳統鏡頭還是19世紀的“舊技術”。為什么手機背面的鏡頭總是凸出來？這與傳統鏡頭繁瑣的“透鏡組”有關。徐挺告訴記者，傳統鏡頭在成像時，整顆鏡頭相當于是一個復雜的透鏡組，“手機一顆小小的攝像頭，是由5-7片透鏡組合而成，每一片精密研磨的鏡片都有各自的職責。”

而超構透鏡之所以備受期待，最直接的在于其輕薄性。“不同于厚厚的曲面的傳統鏡頭，它是一種光學納米材料平面透鏡。” 徐挺科普道，在曲面的傳統透鏡中，不同波長的光會相繼通過鏡頭，從而產生色差，而超構透鏡利用納米結構聚光，可以避免色差的出現。此外，這種超結構的表面，還能通過光與納米尺度排列的亞波長結構局部相互作用，對光的振幅、偏振態等進行調控，徐挺舉例說，利用這種微納結構可以對可見光的光譜進行精準調控。課題組曾經聯合美國國家標準與技術研究院的研究人員，用承載了微納結構的玻璃片，合作完成一項利用自然光結構色來繪畫的實驗，在微觀尺度上超高精度地復現了17世紀荷蘭畫家約翰內斯·維米爾的傳世畫作《戴珍珠耳環的少女》。

從史前動物三葉蟲的復眼結構中獲取靈感

除了輕薄和在成像技術方面的優勢，這種納米平面結構的鏡頭生產起來其實并不是很難。“對微尺度結構制造能力的提升，正是過去幾十年集成電路技術進步的最主要動力。”徐挺表示，事實上，超構透鏡可以由現有的半導體代工廠大規模生產，從而大幅降低成本，可以用于照相手機、傳感器、光纖線路以及諸如內窺鏡之類的醫學成像設備中。

作為光學領域的一項革命性技術，全世界的科研人員正在對超構透鏡的各種成像性能開展了深入廣泛的研究。目前超構透鏡成像的有效視場范圍還非常受限，因此課題組針對的正是成像系統的這一重要指標即景深。

“日常攝影中，人們都習慣于先對焦后拍攝，主要是由于普通相機的景深有限，無法覆蓋整個視野范圍。”徐挺舉了個例子，比如拍大頭照時，當對焦落在了人臉上，后面的背景則往往是虛化的，傳統鏡頭景深在拓展景深的同時，都是以損失部分成像性能為代價的。

如何獲得更大更極限的景深？研究團隊從史前動物三葉蟲的復眼結構中獲取了靈感。“盡管三葉蟲是一種已經滅絕了幾百萬年的生物，但研究人員發現了它不同于其他昆蟲的特點，它的許多個復眼既能近處對焦，也能遠處對焦，形成多個像點，拼出不一樣的圖像，這與計算機圖像形成原理相似。”徐挺說，這或許因為三葉蟲既要捕食近處的浮游生物，又要躲避遠處生物的獵食，這種“超級眼睛”是其長期進化出的功能，讓它能看到不一樣的世界。

相關專利正在審批中

“盡管我們已經無從得知三葉蟲的眼睛能否感知連續不斷的景深，但我們基于此提出了一種高性能的大景深成像方法。”徐挺介紹，團隊從組成器件、系統構架以及重構算法三個層面構建了一套完整的仿生光場成像系統，“我們利用了超構透鏡中的陣列排布，最大限度的獲取了目標場景的景深信息，再通過多尺度人工神經網絡進行圖像的重建。”徐挺說，在成像實驗中，團隊布置了具有較大縱向深度的實驗場景，一塊印有不透明字母的玻璃被放置在距主鏡3 厘米位置，最遠的高樓距離約為1.7公里，整個場景的圖像清晰可見，“而同樣的情況，用傳統相機拍，我們需要一個微距鏡頭，外加一個長焦鏡頭，通過多次疊加拍攝才能合成而出。”

這項研究工作實際上是納米光子學與計算成像學的深度融合，同時也為未來先進成像技術的發展提供了重要參考。徐挺透露，目前相關專利正在審批中，團隊正進一步打磨技術將其實用化。

南京大學副研究員范慶斌博士、博士研究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。徐挺教授、陸延青教授、岳濤副教授以及閆鋒教授為論文的共同通訊作者，南京大學為論文第一單位。

該工作得到了包括科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省雙創團隊等項目資助，以及人工微結構科學與技術協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室等平臺的大力支持。

揚子晚報/紫牛新聞記者   楊甜子

校對 徐珩