哈佛大學的研究人員創(chuàng)新了一種緊湊型單次偏振成像系統(tǒng)，它簡化了傳統(tǒng)的設置，擴大了在醫(yī)療、AR 和智能手機技術中的應用，增強現(xiàn)實和機器學習集成成像能力。

想想我們根據(jù)物體與光波長的相互作用（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、炎癥或血流問題。

公司已投入巨資改善數(shù)字成像中的色彩，但波長只是光的一種屬性。偏振-光傳播時電場如何擺動--也蘊含著豐富的信息，但偏振成像仍主要局限于臺式實驗室環(huán)境，依賴于傳統(tǒng)光學器件，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的突破

現(xiàn)在，哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員開發(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)只需使用兩個薄薄的超表面，就能為生物醫(yī)學成像、增強和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以及智能手機等一系列現(xiàn)有和新型應用釋放出偏振成像的巨大潛力。

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

圖片:Mueller-Matrix-Imaging.jpg

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

哈佛大學應用物理系Robert L. Wallace教授、SEAS 電氣工程Vinton Hayes高級研究員、論文的資深作者Federico Capasso說：“這套系統(tǒng)沒有任何移動部件或散裝偏振光學器件，將增強在實時醫(yī)學成像、材料表征、機器視覺、目標檢測和其他重要領域的應用能力。”

在之前的研究中，Capasso和他的團隊開發(fā)出了首款緊湊型偏振相機，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。

主動偏振成像

Capasso研究小組的應屆博士畢業(yè)生、論文第一作者 Aun Zaidi 說：“正如物體的陰影甚至顏色會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”偏振成像，即Mueller矩陣成像，可以通過控制入射偏振來捕捉物體最完整的偏振響應。

目前，Mueller矩陣成像需要一個復雜的光學裝置，其中包括多個旋轉(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，實現(xiàn)圖像的矩陣表示。

Capasso和他的團隊開發(fā)的簡化系統(tǒng)使用了兩個極薄的超表面：一個用于照射物體，另一個用于捕捉和分析另一側(cè)的光線。

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

該技術可實現(xiàn)實時高級成像，這對于內(nèi)窺鏡手術、智能手機的面部識別和 AR/VR 系統(tǒng)的眼球跟蹤等應用非常重要。它還可以與強大的機器學習算法相結(jié)合，應用于醫(yī)療診斷、材料分類和制藥等領域。

Zaidi 說：“我們將結(jié)構(gòu)光和偏振成像這兩個看似獨立的領域結(jié)合在一起，設計出了一個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，大大簡化了設計�！�

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

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