哈佛大學(xué)的研究人員創(chuàng)新了一種緊湊型單次偏振成像系統(tǒng)，它簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的設(shè)置，擴(kuò)大了在醫(yī)療、AR 和智能手機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和機(jī)器學(xué)習(xí)集成成像能力。

想想我們根據(jù)物體與光波長(zhǎng)的相互作用（又稱顏色）獲得的所有信息。顏色可以告訴我們食物是否可以安全食用，或者一塊金屬是否發(fā)熱。在醫(yī)學(xué)上，顏色是一種重要的診斷工具，可以幫助醫(yī)生診斷病變組織、炎癥或血流問(wèn)題。

公司已投入巨資改善數(shù)字成像中的色彩，但波長(zhǎng)只是光的一種屬性。偏振-光傳播時(shí)電場(chǎng)如何擺動(dòng)--也蘊(yùn)含著豐富的信息，但偏振成像仍主要局限于臺(tái)式實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，依賴于傳統(tǒng)光學(xué)器件，如安裝在笨重的旋轉(zhuǎn)支架上的波幅板和偏振器。

緊湊型偏振成像技術(shù)的突破

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰-保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種緊湊型單次偏振成像系統(tǒng)，可以提供完整的偏振圖像。該成像系統(tǒng)只需使用兩個(gè)薄薄的超表面，就能為生物醫(yī)學(xué)成像、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及智能手機(jī)等一系列現(xiàn)有和新型應(yīng)用釋放出偏振成像的巨大潛力。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

圖片:Mueller-Matrix-Imaging.jpg

一種獨(dú)特的甲蟲 Chrysina gloriosa 對(duì)其外殼反射的圓偏振光具有獨(dú)特的響應(yīng)。新系統(tǒng)能正確成像這種手性響應(yīng)。

哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系Robert L. Wallace教授、SEAS 電氣工程Vinton Hayes高級(jí)研究員、論文的資深作者Federico Capasso說(shuō)：“這套系統(tǒng)沒(méi)有任何移動(dòng)部件或散裝偏振光學(xué)器件，將增強(qiáng)在實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)成像、材料表征、機(jī)器視覺(jué)、目標(biāo)檢測(cè)和其他重要領(lǐng)域的應(yīng)用能力。”

在之前的研究中，Capasso和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了首款緊湊型偏振相機(jī)，可以在不控制入射光的情況下捕捉所謂的斯托克斯圖像，即物體反射的偏振特征圖像。

主動(dòng)偏振成像

Capasso研究小組的應(yīng)屆博士畢業(yè)生、論文第一作者 Aun Zaidi 說(shuō)：“正如物體的陰影甚至顏色會(huì)因入射光線的顏色而不同一樣，物體的偏振特征也取決于光源的偏振曲線”。與傳統(tǒng)的偏振成像不同，“主動(dòng)”偏振成像，即Mueller矩陣成像，可以通過(guò)控制入射偏振來(lái)捕捉物體最完整的偏振響應(yīng)。

目前，Mueller矩陣成像需要一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)裝置，其中包括多個(gè)旋轉(zhuǎn)板和偏振器，它們可以依次捕捉一系列圖像，然后將這些圖像組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)圖像的矩陣表示。

Capasso和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)使用了兩個(gè)極薄的超表面：一個(gè)用于照射物體，另一個(gè)用于捕捉和分析另一側(cè)的光線。

第一個(gè)超表面產(chǎn)生所謂的偏振結(jié)構(gòu)光，其中的偏振被設(shè)計(jì)成以獨(dú)特的模式在空間上變化。當(dāng)這種偏振光從被照物體上反射或透過(guò)時(shí)，光束的偏振曲線會(huì)發(fā)生變化。這種變化被第二個(gè)超表面捕捉和分析，以構(gòu)建最終圖像，只需一次拍攝。

該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高級(jí)成像，這對(duì)于內(nèi)窺鏡手術(shù)、智能手機(jī)的面部識(shí)別和 AR/VR 系統(tǒng)的眼球跟蹤等應(yīng)用非常重要。它還可以與強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，應(yīng)用于醫(yī)療診斷、材料分類和制藥等領(lǐng)域。

Zaidi 說(shuō)：“我們將結(jié)構(gòu)光和偏振成像這兩個(gè)看似獨(dú)立的領(lǐng)域結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出了一個(gè)能夠捕捉最完整偏振信息的單一系統(tǒng)。我們使用了納米工程超表面，取代了傳統(tǒng)上此類系統(tǒng)所需的許多組件，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)�！�

Capasso說(shuō)：“我們的單次成像和緊湊型系統(tǒng)為這種成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了一條可行的途徑，使需要先進(jìn)成像技術(shù)的應(yīng)用變得更加強(qiáng)大�！�

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01426-x