超表面衍射光栅为偏振成像提供新方法

原标题:超表面衍射光栅为偏振成像提供新方法

据麦姆斯咨询报道,近日,哈佛大学工程与应用科学学院的科学家们开发了用于机器视觉的紧凑型偏振相机,能让我们看到一个人眼不可见的“视界”,有望在一次拍摄中实现光波振动方向的成像。

偏振成像

光波振动方向对于传播方向的不对称性叫做光的偏振,它是横波区别于其它纵波的一个最明显的标志。光的偏振可以揭示关于天然材料和人造结构状况的不可见信息,但用来检测偏振的相机通常体积庞大、价格昂贵,并且需要活动部件(moving parts)——沿着不同的方向拍摄多张图像以获取全部偏振状态。

哈佛大学工程与应用科学学院费德里科·卡帕索(Federico Capasso)实验室开发的新型偏振相机具有更低廉的成本、更小巧的外形、更简单的硬件,可以应用于自动驾驶汽车、大气科学、遥感技术、人脸识别等。该项研究成果已经发表在《科学》杂志上。

哈佛大学研发的新型偏振相机

新型偏振相机可应用于自动驾驶

哈佛大学工程与应用科学学院高级研究员费德里科·卡帕索说道:“这项研究成果有望改变成像技术的游戏规则。传统CMOS相机只能检测光线的强度与颜色,但无法看到光的偏振。我们开发的新型偏振相机为人们提供全新视角,揭示光线如何在我们周围的世界中反射和传播。”

为了实现偏振成像的技术突破,费德里科·卡帕索及其团队利用了超材料,并在实验室之前的超表面工作基础上,将偏振成像所需的所有光学器件集成于单个简单器件,作为更复杂光学组件的替代品。

超表面衍射光栅

实现光的偏振完整描述需要四个参数,这就是著名的“斯托克斯(Stokes)参数”。为此,费德里科·卡帕索及其团队设计了一种采用亚波长间隔的纳米柱阵列——超表面衍射光栅,其各向异性结构允许在可见光频率下进行可调谐偏振控制,因此可以一次拍摄四幅图像,每幅图像展示了不同方向上光的偏振,再将这四幅图像综合分析就可以获得光的偏振全貌。

全斯托克斯偏振成像

围绕上述新方法,研究团队设计了紧凑型偏振相机,其中的关键光学元件直径约为2厘米,并不比智能手机上的光学元件复杂。如果加上附带的镜头和保护套,演示原型机的整体尺寸相当于一个小饭盒。

超表面衍射光栅

研究团队利用532nm波长的光源对这款偏振相机进行了成像试验:例如检查注塑塑料件的内部应力,拍摄汽车挡风玻璃的偏振效果,通过自拍来演示偏振相机是如何展示人脸三维轮廓。

此外,2017年,费德里科·卡帕索和三位同事一起创建了Metalenz公司,旨在开发兼容CMOS平面光学平台的衍生产品,如摄像头、显示器和可穿戴光学器件等大批量市场。返回搜狐,查看更多

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