據(jù)美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員開發(fā)出一種高度緊湊、便攜的相機(jī)，它可在一次拍攝中對(duì)偏振成像。這種小型相機(jī)可安裝到無人駕駛車輛、飛機(jī)或衛(wèi)星的視覺系統(tǒng)中，用于研究大氣化學(xué)或者檢測(cè)偽裝物。

背景

首部通過先進(jìn)的三色染印法制作的電影長(zhǎng)片于1935年首映，當(dāng)時(shí)《紐約時(shí)報(bào)》宣稱：“它在觀眾中制造出站在頂峰上的所有興奮……看到一個(gè)奇異、美麗、出人意料的新世界。”

染印法永遠(yuǎn)改變了相機(jī)以及人們觀賞與體驗(yàn)他們周圍世界的方法。如今，我們登上了一個(gè)新的巔峰，觀看“偏振”世界的風(fēng)景。偏振，是指光線振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性，對(duì)于人眼來說不可見(但是對(duì)于某些蝦和昆蟲卻可見)。

然而，偏振光卻提供了與之交互的物體的大量信息。目前，可見到偏振光的相機(jī)可用于檢測(cè)材料應(yīng)力、為檢測(cè)物體而增強(qiáng)對(duì)比度、分析表面質(zhì)量(看看是否有凹痕或劃痕)。

可是與早期的彩色相機(jī)一樣，當(dāng)前的偏振敏感相機(jī)體積龐大。此外，它們通常依賴于活動(dòng)部件，且十分昂貴，嚴(yán)重限制了其潛在應(yīng)用范圍。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員開發(fā)出一種高度緊湊、便攜的相機(jī)，它可在一次拍攝中對(duì)偏振成像。這種小型相機(jī)的尺寸與拇指差不多，可安裝到無人駕駛車輛、飛機(jī)或衛(wèi)星的視覺系統(tǒng)中，用于研究大氣化學(xué)或者檢測(cè)偽裝物。這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)(Science)》雜志上。

哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)為這個(gè)項(xiàng)目相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)了保護(hù)，并且正在探索商業(yè)化機(jī)會(huì)。

技術(shù)

論文高級(jí)作者、SEAS應(yīng)用物理系教授、電氣工程系高級(jí)研究員費(fèi)德里科·卡帕索(Federico Capasso)表示：“這項(xiàng)研究正在改變成像技術(shù)的游戲規(guī)則。大多數(shù)相機(jī)只能檢測(cè)光線的強(qiáng)度與顏色，但是無法看到偏振。但是這個(gè)相機(jī)帶來了針對(duì)現(xiàn)實(shí)的全新視角，讓我們可以揭示光線是如何在我們周圍的世界反射和傳播的。”

SEAS 博士后研究員、論文高級(jí)合著者保羅·切瓦利埃(Paul Chevalier)表示：“偏振是光線的一個(gè)特征，它在表面反射時(shí)發(fā)生變化。基于這個(gè)變化，偏振可以幫助我們對(duì)于物體進(jìn)行三維重建，從而評(píng)估其深度、材質(zhì)與形狀，并區(qū)分人造物體和自然物體，即使它們具有同樣的形狀與顏色。”

為了探索強(qiáng)大的偏振世界，卡帕索及其團(tuán)隊(duì)利用了超表面。超表面是一種納米規(guī)模的結(jié)構(gòu)，它可在波長(zhǎng)尺度上與光線相互作用。

卡帕索實(shí)驗(yàn)室的研究生、論文第一作者諾亞·魯賓(Noah Rubin)表示：“如果我們想要測(cè)量光線的全部偏振狀態(tài)。我們需要沿著不同的偏振方向拍幾張照片。之前的設(shè)備要么采用活動(dòng)部件，要么沿著不同的路徑發(fā)射光線以獲取多張圖像，需要龐大的光學(xué)元件。一個(gè)新方案采用形成特殊圖案的相機(jī)像素，但是這種方案無法測(cè)量全部的偏振狀態(tài)，并且需要非標(biāo)準(zhǔn)的成像傳感器。在這項(xiàng)研究中，我們將所有需要的光學(xué)元件與超表面在單一簡(jiǎn)單設(shè)備中集成到一起。”

利用對(duì)偏振光如何與物體相互作用的新認(rèn)識(shí)，研究人員們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)采用亞波長(zhǎng)間隔的納米柱陣列，基于偏振引導(dǎo)光線。然后，光線形成四幅圖像，每幅圖像展示了不同方向的偏振。這些圖像集中到一起，在每個(gè)像素上描繪出偏振的全貌。

該設(shè)備長(zhǎng)度大約為兩厘米，不比智能手機(jī)攝像頭更復(fù)雜。加上附著的鏡頭和保護(hù)套，設(shè)備的尺寸大約等于一個(gè)小飯盒。研究人員對(duì)這個(gè)相機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，以顯示注塑塑料制品中的瑕疵;將它帶到戶外拍攝汽車擋風(fēng)玻璃的偏振;甚至通過自拍來演示偏振相機(jī)是如何展示人臉的三維輪廓。

價(jià)值

魯賓表示：“這項(xiàng)技術(shù)將集成到現(xiàn)有的成像系統(tǒng)中，例如你的手機(jī)或者汽車中的成像系統(tǒng)，使得偏振成像被廣泛采用，并帶來我們未曾預(yù)料的新應(yīng)用。”

卡帕索表示：“這項(xiàng)研究為相機(jī)技術(shù)開辟了振奮人心的新方向，這些相機(jī)將具有前所未有的緊湊度，使我們展望大氣科學(xué)、遙感技術(shù)、人臉識(shí)別、機(jī)器視覺等領(lǐng)域的新應(yīng)用。”