研究人员开发出一种结合了可编程光学元件和智能算法的“计算镜头”，它突破了传统相机一次只能聚焦一个平面的限制。这项新技术能让镜头的不同区域独立对焦，从而在单次拍摄中同时清晰地捕捉到远近不同的物体。这项创新不仅将改变摄影，还可能对显微镜、自动驾驶和增强现实等领域产生深远影响。
传统相机的局限
传统相机镜头一次只能将场景中的一个平面调整到最清晰的状态。任何位于该焦平面之前或之后的物体都会变得模糊。虽然缩小光圈可以增加景深，但这会使画面变暗，并可能因衍射效应引入新的光学模糊。
“我们想知道，‘如果一个镜头不必只聚焦于一个平面呢？’” 研究人员秦莺丝说，“如果它可以弯曲它的焦点来匹配它面前世界的形状呢？”
一种可以“弯曲”焦点的新型镜头
为了解决这个问题，研究团队开发出一种“计算镜头”——一种结合了光学硬件和计算算法的混合系统。它能根据场景中物体的不同距离，为图像的每个部分调整不同的焦点。
这项设计的核心是一种被称为 Lohmann 镜头 的装置，它通过移动两片特殊的立方体透镜来调整焦点。研究人员将其与空间光调制器（一种可以控制每个像素点光线弯曲方式的设备）相结合，实现了让图像的不同部分同时聚焦于不同深度的能力。
它是如何工作的：光学与算法的结合
该系统采用了两种自动对焦方法，协同工作，让相机能自主决定图像的哪些部分需要保持清晰。
- 对比度检测自动对焦 (CDAF): 这种方法将图像分割成多个区域（称为超像素），然后独立调整每个区域的焦点，以获得最大化的清晰度。
- 相位检测自动对焦 (PDAF): 这种方法使用双像素传感器，不仅能判断物体是否对焦，还能判断应该朝哪个方向调整。这使得对焦速度更快，尤其适合拍摄移动场景，该团队的系统实现了每秒 21 帧的对焦速度。
“这两种方法结合起来，让相机可以决定图像的哪些部分应该是清晰的——本质上是为每个像素提供了自己微小、可调节的镜头。”
不仅仅是摄影：广泛的应用前景
这项技术除了能吸引摄影师外，还有非常广泛的应用潜力。
- 显微镜: 可以一次性清晰捕捉生物样本的每一层。
- 自动驾驶: 车辆能够以前所未有的清晰度感知周围环境。
- 增强现实 (AR) 与虚拟现实 (VR):可以利用类似的光学原理创造更逼真的深度感知。
“我们的系统代表了一种全新的光学设计类别，”研究员 Aswin Sankaranarayanan 表示。“它可能会从根本上改变相机看待世界的方式。”