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哈佛的新技术为先进的机器视觉铺平了道路
想想我们得到的所有信息,都是基于物体与光的波长(也就是颜色)的相互作用。颜色可以告诉我们食物是否安全,或者一块金属是否热。在医学上,颜色是一种重要的诊断工具,可以帮助医生诊断病变组织、炎症或血流问题。
很多公司已经投入大量资金来改善数字成像的色彩,但波长只是光的一个属性。偏振 —— 当光传播时电场如何振荡 —— 也有丰富的信息,但偏振成像仍然主要局限于桌面实验室设置,依赖于传统的光学设备,如笨重的旋转支架上的波片和偏振器。
现在,哈佛大学John a . Paulson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的应用,包括生物医学成像、增强和虚拟现实系统以及智能手机。
Robert L. Wallace应用物理学教授、SEA电气工程高级研究员费德里科·卡帕索(Federico Capasso)表示:“该系统没有任何移动部件或大块偏振光学器件,将在实时医学成像、材料表征、机器视觉、目标检测和其他重要领域得到应用。”
在之前的研究中,卡帕索和他的团队开发了一种新型紧凑型偏振相机,可以在不控制入射照明的情况下捕捉所谓的斯托克斯图像,即物体反射的偏振特征图像。
“就像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轮廓,”奥恩·扎伊迪(Aun Zaidi)说,他是卡帕索小组最近的博士毕业生,也是这篇论文的第一作者。“与传统的偏振成像相比,‘主动’偏振成像,即穆勒矩阵成像,可以通过控制入射偏振来捕捉物体最完整的偏振响应。”
目前,穆勒矩阵成像需要一个复杂的光学装置,有多个旋转板和偏振光片,依次捕获一系列图像,再将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了两个极薄的超表面:一个用来照亮物体,另一个用来捕捉和分析另一侧的光。
第一个超表面产生所谓的偏振结构光,其中偏振被设计成以独特的模式在空间上变化。当这种偏振光被反射或透过被照射的物体时,光束的偏振轮廓就会发生变化。这种变化被第二个超表面捕捉和分析,以构建最终的图像 —— 在一个单一的镜头。
该技术可以实现实时高级成像,这对于内窥镜手术、智能手机面部识别和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,应用于医学诊断、材料分类和制药领域。
奥恩·扎伊迪表示:“我们将两个看似独立的结构光和偏振成像领域结合在一起,设计了一个单一的系统,可以捕获最完整的偏振信息。我们使用纳米工程的超表面,取代了传统系统中需要的许多组件,极大地简化了它的设计。”
卡帕索说:“我们的单镜头紧凑型系统,为这种类型成像的广泛采用提供了一条可行的途径,为需要高级成像的应用提供了支持。”