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基于超颖表面的相机可以简化偏振成像视觉系统

发布:laserpulse    |    2019-07-09 06:43    阅读:991
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哈佛大学约翰•保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员研制出一种紧凑型便携式摄像机,可以在一次拍摄中对偏振成像。 微型相机使用超颖表面技术将偏振所有需要的光学器件集成在一个器件中。研究人员将矩阵傅立叶光学 (傅立叶光学的扩展)应用于表面光栅的设计。他们基于超颖表面的全斯托克斯偏振相机的设计没有传统的偏振光学系统,也没有活动部件。

相机的超颖表面使用一系列亚波长间隔的纳米柱基于其偏振来引导光线。光在成像传感器的四个象限上形成四个图像,每个图像显示不同方向的偏振。这些图像集中到一起,在每个像素上描绘出偏振的全貌。由Noah Rubin / Harvard SEAS提供。

SEAS团队设计了一个超颖表面,使用一系列亚波长间隔的纳米柱基于其偏振来引导光光线。来自摄影场景光的偏振由特别设计的亚波长超颖表面光栅进行“分类”。当与透镜和传感器组合在一起时,在成像传感器上形成对应于四个衍射级的四个一样的图像。这些副本各自有效地通过不同的偏振器,其功能嵌入在超颖表面中。可以按像素分析四个图像以重建四元素斯托克斯矢量。

研究人员表示,该设备的长度约为2厘米,并不比智能手机上的摄像头复杂。使用附带的镜头和保护套,该设备大小相当于一个小饭盒。研究人员对相机进行了测试,以显示注塑成型塑料物体的缺陷;把它带到户外拍摄汽车挡风玻璃的偏振;甚至通过自拍来演示偏振相机如何可视化脸部的3D轮廓。

便携式偏振照相机的直径约为2厘米,使用具有亚波长间隔的纳米柱阵列的超颖表面,基于其偏振来引导光线。 由Eliza Grinnell / Harvard SEAS提供。

尽管人眼看不到偏振,但是看到偏振光的相机可以提供关于它们与之相互作用物体的大量信息。“偏振是光线的一个特征,它在表面反射时发生变化,”研究员Paul Chevalier说。 “基于这种变化,偏振可以帮助我们对物体进行三维重建,从而评估其深度、材质和形状,并将人造物体与自然物体区分开来,即使它们的形状和颜色相同。”

偏振敏感相机目前用于检测材料应力,增强物体检测的对比度,并分析物体表面质量,例如凹痕或划痕。但是,现有技术的体积庞大和高昂成本限制了其潜在应用的范围。研究员Noah Rubin表示,SEAS相机技术可以集成到现有的成像系统中,例如手机或汽车中的成像系统,使得偏振成像被广泛采用,并带来我们未曾预料的新应用。紧凑型偏振相机可应用于自动驾驶车辆的视觉系统;在飞机或卫星上研究大气化学或者检测伪装物体。“大多数相机通常只能检测光线的强度和颜色,但看不到偏振。这款相机带来了针对现实的全新视角,让我们能够揭示周围世界如何反射和传播光线,“Federico Capasso教授说。

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