據(jù)美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院官網(wǎng)近日報道，該校研究人員開發(fā)出一種高度緊湊、便攜的相機，它可在一次拍攝中對偏振成像。這種小型相機可安裝到無人駕駛車輛、飛機或衛(wèi)星的視覺系統(tǒng)中，用于研究大氣化學或者檢測偽裝物。

背景

首部通過先進的三色染印法制作的電影長片于1935年首映，當時《紐約時報》宣稱：“它在觀眾中制造出站在頂峰上的所有興奮……看到一個奇異、美麗、出人意料的新世界。”

染印法永遠改變了相機以及人們觀賞與體驗他們周圍世界的方法。如今，我們登上了一個新的巔峰，觀看“偏振”世界的風景。偏振，是指光線振動方向對于傳播方向的不對稱性，對于人眼來說不可見(但是對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可用于檢測材料應力、為檢測物體而增強對比度、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一樣，當前的偏振敏感相機體積龐大。此外，它們通常依賴于活動部件，且十分昂貴，嚴重限制了其潛在應用范圍。

創(chuàng)新

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

哈佛大學技術開發(fā)辦公室已經(jīng)為這個項目相關的知識產(chǎn)權申請了保護，并且正在探索商業(yè)化機會。

技術

論文高級作者、SEAS應用物理系教授、電氣工程系高級研究員費德里科·卡帕索(Federico Capasso)表示：“這項研究正在改變成像技術的游戲規(guī)則。大多數(shù)相機只能檢測光線的強度與顏色，但是無法看到偏振。但是這個相機帶來了針對現(xiàn)實的全新視角，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、論文高級合著者保羅·切瓦利埃(Paul Chevalier)表示：“偏振是光線的一個特征，它在表面反射時發(fā)生變化?；谶@個變化，偏振可以幫助我們對于物體進行三維重建，從而評估其深度、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。”

為了探索強大的偏振世界，卡帕索及其團隊利用了超表面。超表面是一種納米規(guī)模的結構，它可在波長尺度上與光線相互作用。

卡帕索實驗室的研究生、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。之前的設備要么采用活動部件，要么沿著不同的路徑發(fā)射光線以獲取多張圖像，需要龐大的光學元件。一個新方案采用形成特殊圖案的相機像素，但是這種方案無法測量全部的偏振狀態(tài)，并且需要非標準的成像傳感器。在這項研究中，我們將所有需要的光學元件與超表面在單一簡單設備中集成到一起。”

利用對偏振光如何與物體相互作用的新認識，研究人員們設計了一個采用亞波長間隔的納米柱陣列，基于偏振引導光線。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，在每個像素上描繪出偏振的全貌。

該設備長度大約為兩厘米，不比智能手機攝像頭更復雜。加上附著的鏡頭和保護套，設備的尺寸大約等于一個小飯盒。研究人員對這個相機進行了測試，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玻璃的偏振;甚至通過自拍來演示偏振相機是如何展示人臉的三維輪廓。

價值

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

卡帕索表示：“這項研究為相機技術開辟了振奮人心的新方向，這些相機將具有前所未有的緊湊度，使我們展望大氣科學、遙感技術、人臉識別、機器視覺等領域的新應用。”