新技术为先进的机器视觉铺平了道路
一种独特的甲虫对从其外壳反射的圆偏振光具有独特的反应。新系统正确地对这种手性响应进行了成像。人类在生活的很多方面根据物体与光波长（又名颜色）相互作用而获得的重要信息。例如，通过辨认食物颜色可以判断该食物是否可以安全食用，或者一块金属是否很热。颜色是医学上重要的诊断工具，可帮助从业者诊断病变组织、炎症或血流问题。企业界已经投入巨资来改善数字成像中的色彩，但波长只是光的一个特性。偏振-电场如何随着光的传播而振荡也包含丰富的信息，但偏振成像仍然主要局限于实验室设置，依赖于传统的光学器件，如笨重的旋转支架上的波片和偏振片。紧凑型偏振成像的突破现在，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发了一种紧凑的单次偏振成像系统，可以提供完整的偏振图像。通过仅使用两个薄的超表面，成像系统可以释放偏振成像的巨大潜力，用于一系列现有和新应用，包括生物医学成像、增强和虚拟现实系统以及智能手机。该研究发表在《自然光子学》杂志上。“该系统没有任何移动部件或体偏振光学器件，将为实时医学成像，材料表征，机器视觉，目标检测和其他重要领域的应用提供支持，”，该研究的资深作者、应用物理学教授和SEAS电气工程高级研究员费德里科·卡帕索（FedericoCapasso）说。在之前的研究中，卡帕索和他的团队开发了一种首创的紧凑型偏振相机，用于捕捉所谓的斯托克斯图像，即从物体反射的偏振特征的图像，而无需控制入射照明。主动偏振成像“正如物体的阴影甚至颜色会根据入射照明的颜色而有所不同一样，物体的偏振特征取决于照明的偏振曲线，”卡帕索小组的博士生奥恩·扎伊迪（AunZaidi）说，“与传统的偏振成像相比，‘主动’偏振成像，称为穆勒矩阵成像，可以通过控制入射偏振来捕获物体最完整的偏振响应。”目前，穆勒矩阵成像需要复杂的光学设置，包括多个旋转板和偏振片，这些旋转板和偏振片依次捕获一系列图像，这些图像组合在一起以实现图像的矩阵表示。卡帕索和他的团队开发的简化系统使用两个极薄的超表面——一个用于照亮物体，另一个用于捕获和分析另一侧的光。第一个超表面产生所谓的偏振结构光，其中偏振被设计为以独特的模式在空间上变化。当这种偏振光反射或透射穿过被照亮的物体时，光束的偏振曲线会发生变化。这种变化被第二个超表面捕捉和分析，以构建最终图像。该技术允许实时高级成像，这对于内窥镜手术、智能手机中的面部识别和AR/VR系统中的眼动追踪等应用非常重要。它还可以与强大的机器学习算法相结合，用于医疗诊断、材料分类和制药。“我们将结构光和偏振成像两个看似独立的领域结合在一起，设计了一个捕获最完整偏振信息的单一系统。我们使用纳米工程超表面，取代了传统上在此类系统中所需的许多组件，大大简化了其设计。”扎伊迪说。研究人员表示单次紧凑型系统为广泛采用这种成像提供了可行的途径，使需要高级成像的应用成为可能。哈佛大学技术开发办公室已经保护了与该项目相关的知识产权，并将该技术授权给Metalenz进行进一步开发。该研究得到了美国空军科学研究办公室、海军研究办公室（ONR）、美国国家航空航天局（NASA）以及美国国家科学基金会的联合支持。（逸文）