研究人員開(kāi)發(fā)出一種高度緊湊的便攜式相機 可以在一次拍攝中成像偏振 焦點(diǎn)日報

當第一部使用Technicolor先進(jìn)的三色彩電影制作的長(cháng)篇電影于1935年首映時(shí)，“紐約時(shí)報”宣稱(chēng)“它在觀(guān)眾中產(chǎn)生了所有站在高峰上的興奮......并且瞥見(jiàn)一個(gè)奇怪的，美麗的和意想不到的新世界?！?/p>

(資料圖片)

Technicolor永遠改變了攝像機 - 以及人們 - 看到和體驗周?chē)澜绲姆绞?。今天，有一個(gè)新的懸崖 - 這個(gè)懸崖，提供極化世界的觀(guān)點(diǎn)。

極化是光線(xiàn)振動(dòng)的方向，對人眼是不可見(jiàn)的(但某些種類(lèi)的蝦和昆蟲(chóng)可見(jiàn))。但它提供了有關(guān)與其交互的對象的大量信息。目前使用偏振光的相機來(lái)檢測材料應力，增強物體檢測的對比度，并分析凹痕或劃痕的表面質(zhì)量。

然而，像早期的彩色相機一樣，當前的偏振敏感相機體積龐大。此外，它們通常依賴(lài)于移動(dòng)部件并且成本高昂，嚴重限制了其潛在應用的范圍。

現在，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種高度緊湊的便攜式攝像機，可以在一次拍攝中成像偏振。微型攝像機 - 大小與拇指一樣 - 可以在自動(dòng)駕駛車(chē)輛，機載飛機或衛星的視覺(jué)系統中找到一個(gè)地方來(lái)研究大氣化學(xué)，或用于檢測偽裝物體。

該研究發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上。

“這項研究改變了成像方面的改變，”應用物理學(xué)教授羅伯特·L·華萊士和英國SEAS電子工程高級研究員Vinton Hayes說(shuō)道，該論文的高級作者Federico Capasso說(shuō)?！按蠖鄶迪鄼C通常只能檢測光線(xiàn)的強度和顏色，但無(wú)法看到偏振。這款相機是對現實(shí)的全新視角，讓我們能夠揭示周?chē)澜缛绾畏瓷浜蛡鞑ス饩€(xiàn)?！?/p>

“偏振是光線(xiàn)的一個(gè)特征，在表面反射時(shí)會(huì )發(fā)生變化，”SEAS的博士后研究員兼該研究的共同作者Paul Chevalier說(shuō)?！盎谶@種變化，極化可以幫助我們對物體進(jìn)行三維重建，估計其深度，紋理和形狀，并將人造物體與自然物體區分開(kāi)來(lái)，即使它們的形狀和顏色相同?！?/p>

為了解開(kāi)這個(gè)強大的極化世界，Capasso和他的團隊利用了表面的潛力，納米尺度結構與波長(cháng)尺度的光相互作用。

“如果我們想測量光的全偏振態(tài)，我們需要沿不同的偏振方向拍攝幾張照片，”該論文的第一作者和Capasso實(shí)驗室的研究生Noah Rubin說(shuō)?！耙郧暗脑O備使用移動(dòng)部件或沿多條路徑發(fā)送光線(xiàn)以獲取多個(gè)圖像，從而產(chǎn)生笨重的光學(xué)。更新的策略使用特殊圖案的相機像素，但這種方法不能測量完全偏振狀態(tài)并需要非標準成像在這項工作中，我們能夠采用所需的所有光學(xué)元件，并將它們集成在一個(gè)帶有表面的簡(jiǎn)單設備中?！?/p>

通過(guò)對偏振光與物體相互作用的新理解，研究人員設計了一種超曲面，使用亞波長(cháng)間隔的納米柱陣列根據其偏振來(lái)引導光。然后，光形成四個(gè)圖像，每個(gè)圖像顯示偏振的不同方面?？傊?，這些給出了每個(gè)像素的極化的完整快照。

該設備長(cháng)約2厘米，并不比智能手機上的相機復雜。使用附帶的鏡頭和保護套，該設備大小相當于一個(gè)小飯盒。研究人員對相機進(jìn)行了測試，以顯示注塑成型塑料物體的缺陷，將其帶到外面拍攝汽車(chē)擋風(fēng)玻璃的偏振，甚至自拍以展示偏振相機如何可視化臉部的3D輪廓。

“這項技術(shù)可以集成到現有的成像系統中，例如手機或汽車(chē)中的成像系統，可以廣泛采用偏振成像和以前無(wú)法預見(jiàn)的新應用，”Rubin說(shuō)。

“這項研究為相機技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)激動(dòng)人心的新方向，具有前所未有的緊湊性，使我們能夠設想大氣科學(xué)，遙感，面部識別，機器視覺(jué)等應用，”Capasso說(shuō)。

哈佛技術(shù)開(kāi)發(fā)辦公室保護了與該項目有關(guān)的知識產(chǎn)權，并正在探索商業(yè)化機會(huì )。

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