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照出事後可對焦的相片: 光場照相術與新相機 ! Lytro Light Field Camera

雖然照相術已經發明很久了,但是新的改進仍不停的產生,例如之前介紹過的超解析度照片可以從低解析度的照片得到高解析度的影像,立體材質照片可以利用光的散射方式給出大約的材質深度,自動構圖修正可以讓照片自動變成較專業的構圖等等…這些改進都是基於對物理的認識或是軟體分析影像的進步。今天要介紹的「光場照相術」是一種野心更大的改進技術,或許能帶動另一種新相機的發展。

一般的攝影把感光元件放在像平面,讓景物能經由鏡頭投影在這平面上來成像,因為鏡頭有固定的焦距,所以一張相片只能對應到一個景物的平面(就是所謂的景深範圍,跟光圈有關);如果要改變對焦清楚位置,只能經由改變鏡頭位置來達到。不過理論上,一個平面上通過的光一定有所有景深影像的訊息,不然固定的相機就照不出對焦位置不同的影像;相片之所以不能紀錄這所有訊息的原因,是因為感光元件只能紀錄在像平面的光強,而不管每一道光(光子)的來源方向,所以剛好對焦的就清楚,沒有對到焦的就散開;只有移動像平面,才能讓沒對焦的光又聚合在一起。

光場攝影術的概念是由居禮夫人的指導教授所提出來的,主要概念就是不只要紀錄光的強度,更要對所有光子進入的角度進行紀錄。只要紀錄了這些資訊,理論上就可以知道哪些光雖然沒有對到焦,可是其實在另外的平面可以成像,而紀錄入射角度的方式就是在像平面放一塊小透鏡,然後每個小透鏡後面有一群感光元件(CCD像素),不同角度的光進入透鏡以後就會被轉到不同的感光學件上被紀錄下來;這樣一來, 照出來的照片就不僅有亮度的資訊,還有入射光角度的資訊。

所這樣的照出來的特殊相片 (微觀影像如上圖) 只要經過軟體處理就可以合成出各種對焦位置影像;當然這種技術有缺點跟限制,那就是必須用很多的像素來儲存一個最後像素中所需要的資訊,所以解析度很差。最後的像素多寡取決於小鏡子的數目,不過隨著微鏡片技術跟CCD像素不斷發展,終於目前快要有可以有商品化的相機產生,就是下面所介紹的影片 (只有九萬個小鏡子,就是大約300×300的解析度)。或許在不久之後,像素能慢慢提升到不太差的水準。

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本文原發表於科學影像Scimage[2011-06-23]

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