想象一下，拍一张照片，照片中从近处的花瓣到远处地平线上的树木，每个细节都清晰无比，无论远近。一个多世纪以来，相机设计师们一直梦想着达到这种清晰度。
据外媒报道，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究人员取得了一项突破性进展，开发出一种新型镜头，能够同时清晰地呈现整个场景——无论场景中各个部分之间的距离远近。这项突破有望彻底改变摄影、显微镜技术，甚至智能手机的拍摄方式。
图片来源： 卡内基梅隆大学
该团队由电气与计算机工程博士生Yingsi Qin、电气与计算机工程教授Aswin Sankaranarayanan以及计算机科学与机器人学副教授Matthew O'Toole组成。
传统相机镜头一次只能将场景中的一个平面清晰对焦。位于该平面之前或之后的物体都会变得模糊不清。缩小光圈可以有所帮助，但同时也会使图像变暗，并引入由衍射引起的新型光学模糊。
“我们正在思考的问题是：‘如果镜头不必只对焦于一个平面呢？’”Qin说道，“‘如果它能够根据前方世界的形状调整焦点呢？’”
研究人员开发了一种“计算镜头”——一种光学和算法的混合体——能够针对场景中的每个部分分别调整焦距。该系统基于一种名为洛曼（Lohmann）透镜的设计，它使用两个相互移动的曲面立方体透镜来调节焦距。通过将这种装置与纯相位空间光调制器（一种控制光线在每个像素处弯曲方式的装置）相结合，研究人员能够使图像的不同部分同时聚焦于不同的深度。
该系统采用两种自动对焦方法。第一种是对比度检测自动对焦（CDAF），它将图像分割成称为超像素的区域。每个区域独立地寻找使其清晰度最大化的对焦设置。第二种是相位检测自动对焦（PDAF），它使用双像素传感器不仅检测图像是否清晰，还检测对焦方向。这使得它速度更快，更适合处理运动场景——该团队使用改进后的传感器实现了每秒21帧的拍摄速度。
“它们协同工作，让相机决定图像的哪些部分应该清晰——本质上是为每个像素配备了一个微型可调镜头，”O'Toole解释道。
除了对摄影师的明显吸引力之外，这项技术还可能拥有广泛的应用前景。显微镜可以同时捕捉生物样本的每一层清晰的图像。自动驾驶汽车或许能够以前所未有的清晰度感知周围环境。甚至增强现实和虚拟现实系统也能从中受益，利用类似的光学技术来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，”Sankaranarayanan说道，“它可能会从根本上改变相机观察世界的方式。”
