全息杂交技术可在录制的图片和视频中改变景深

全息混合法： 用一个镜头和一个全息眼镜同时记录同一场景的两幅图像，然后将两幅图像合成一幅混合图像。景深可以在透镜和轴透镜的极限之间进行设计。图中显示了概念验证实验和模拟结果。作者：Shivasubramanian Gopinath 和 Vijayakumar Anand

当今的大多数成像技术，包括智能手机摄像头、数码摄像机、显微镜和望远镜，都是基于直接成像的概念，即摄像头直接记录场景的单一步骤。这正是人类视觉的工作原理，即物体发出的光线被眼睛的晶状体收集并聚焦到视网膜上。

全息技术是光学的一个分支领域，其发明于 1971 年获得诺贝尔奖。这种间接成像过程至少包括两个步骤。第一步，照相机以独特的方式将物体记录下来，照相机中的许多光学元件安装在一个特殊的台子上，台子具有抗振性。第二步，记录的强度模式在计算机中进行处理，以重建物体信息。

全息技术的成像过程复杂，光学元件众多，成本高昂，但却能从物体上获得三维或更多维的额外信息。然而，全息技术复杂的记录过程和高昂的成本阻碍了它在许多领域的应用，例如智能手机和数码摄像机技术。

在过去的两年里，我和爱沙尼亚塔尔图大学光子学与计算成像中心（CPCI）的同事们一直在开发成像技术，这种技术具有全息技术的优点，但只需满足直接成像系统的最低要求。我们在 2022 年利用常见的光学元件--折射透镜--展示了三维成像能力。

在任何成像系统中，图像清晰度和景深都是两个最关键的参数。然而，正如许多数码单反相机所写的那样，这两个参数由一个称为 f 值的共同因素交织在一起。光圈值小，景深就小，反之亦然。小光圈值在特定景深下图像清晰，而在其他平面上物体则模糊不清。高光圈值可在许多深度下提供清晰的图像。

虽然在拍摄前可以通过选择合适的光圈值来调整景深，但在拍摄后却无法改变景深。要想在拍摄后获得理想的景深，唯一的办法就是再次重复拍摄。

如果您是野生动物摄影师，要重现野生动物的同一场景，运气可能不会站在您这边。而在电影拍摄中，只要多 "拍 "几次，多花点时间，就有可能复制出景深理想的电影场景。考虑到存在的方方面面都与时间有关，如果没有时光穿梭机，上述情况在很多情况下是不可能发生的。

有一些计算方法，例如去模糊，可以在一定程度上帮助以数字方式重新聚焦轻微模糊的平面。但在此过程中，原本清晰的图像会变得模糊。目前还没有任何技术能够在拍摄后调整景深。

以色列本古里安大学的罗森教授和拉伊博士开发的某些编码光圈成像技术，以及我在2022年开发的一种技术，可以在拍摄后调整景深，但无法应用于数码单反相机和智能手机相机，因为它们仍然依赖折射透镜等传统光学元件。

在CPCI，我的博士生Shivasubramanian Gopinath、研究经理Aravind Simon和我意外地发现了通过全息杂化方法解决这一问题的办法。杂化的定义是将两种或两种以上的元素结合在一起，创造出一种具有母元素混合特性的新元素的过程。

杂交在不同的领域有不同的含义，但一般都意味着 "混合"。例如，在生物学中，雄狮和雌虎的 DNA 杂交会产生杂交后代狮虎兽。让我们来看看神话中的狮鹫，它是一种拥有狮子的身体和鸟类的翅膀的杂交生物。

什么是全息技术中的杂交？我们建议用折射透镜和折射棱镜或锥形棱镜同时记录两幅图像，而不是记录一幅图像。折射透镜的景深较低，而折射镜的景深较高。通过 CPCI 开发的特殊算法，两张记录的数字图像会以不同的强度进行组合，并在计算机中进行重建。

在将两幅图像合并为一幅之前，通过调整两幅图像的强度，可以将景深调整到镜头和轴像仪的极限范围内。设置示意图、景深变化和预期的图像变化如上图所示。在这一调整过程中，计算算法保持了最高的图像清晰度。我们关于这一课题的研究成果刚刚发表在《工程中的光学与激光》（Optics and Lasers in Engineering）杂志上。

由于开发的技术简单、成本低，因此可以很容易地集成到现有的智能手机摄像头、显微镜、全息摄影和电影摄影系统技术中。我们相信，所开发的杂交方法将使我们能够像数字时空旅行机一样重温所捕捉的瞬间。

这篇报道是 Science X Dialog 的一部分，研究人员可在此报道他们发表的研究文章中的发现。请访问此页面了解有关 ScienceX Dialog 的信息以及参与方式。

参考资料

Shivasubramanian Gopinath et al, Sculpting axial characteristics of incoherent imagers by hybridization methods, Optics and Lasers in Engineering (2023). DOI: 10.1016/j.optlaseng.2023.107837