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1935年,当第一部采用先进的三色彩色技术制作的全长电影首映时,《纽约时报》宣称,“它让观众产生了站在山峰上,瞥见一个陌生的、美丽的、意想不到的新世界的所有兴奋感。”

人眼的结构可以辨别光和颜色。然而,我们没有能力看到偏振,也就是光振动的方向。但是极化可以提供大量关于它与之交互的对象的信息。目前,可以看到表面反射光的偏振光的相机被用于检测材料应力,增强目标检测的对比度,以及分析凹痕或划痕的表面质量。

然而,像早期的彩色相机一样,当前一代的偏振敏感相机体积庞大。此外,它们往往依赖于移动部件,而且价格昂贵,严重限制了它们的潜在应用。

现在,哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种高度紧凑的便携式相机,可以在一张照片中拍摄偏振。微型摄像机可以在自动驾驶汽车、机载飞机或卫星的视觉系统中找到一席之地,用于研究大气化学,或用于探测伪装的物体。

这项研究发表在《科学》杂志上。

“这项研究改变了成像领域的游戏规则,”罗伯特l华莱士(Robert L. Wallace)应用物理学教授、海洋电子工程高级研究员文顿海耶斯(Vinton Hayes)说。“大多数相机通常只能检测光的强度和颜色,但无法看到偏振。这款相机是对现实的新视角,让我们能够揭示光线是如何被我们周围的世界反射和传播的。”

“偏振是光的一种特征,光在反射到表面后会发生变化,”海洋研究所博士后、该研究的合著者保罗·谢瓦利埃(Paul Chevalier)说。“基于这种变化,偏振可以帮助我们对物体进行三维重建,估计其深度、纹理和形状,并将人造物体与自然物体区分开来,即使它们的形状和颜色相同。”

为了解开这个两极分化的强大世界,卡帕索和他的团队利用了元表面的潜力。元表面是一种纳米级结构,在波长大小的尺度上与光相互作用。

“如果我们想测量光的偏振状态,我们需要采取一些照片不同的极化方向,”诺亚鲁宾说,该论文的第一作者研究生在卡帕索实验室。”以前的设备使用移动部件或发送光沿多条路径获得多个映像,导致庞大的光学。一种较新的策略使用特殊图案的相机像素,但是这种方法不能测量全偏振状态,并且需要一个非标准的成像传感器。在这项工作中,我们能够获得所有需要的光学元件,并将它们集成到一个单一的、简单的带有元表面的设备中。”

由于对偏振光如何与物体相互作用有了新的理解,研究人员设计了一种元表面,它使用一系列亚波长间隔的纳米粒子——可以组合成晶格的微小结构——来根据偏振光的偏振方向引导光线。然后光线形成四幅图像,每幅图像都显示了偏振的不同方面。把它们合在一起,就能得到每个像素处偏振的完整快照。

该设备本身大约两厘米长,并不比智能手机上的摄像头更复杂。它有一个附加的镜头和保护套,占据了一个小饭盒的空间。研究人员对这款相机进行了测试,以显示注射成型塑料物体的缺陷,并把它拿出来拍摄汽车挡风玻璃上的偏振,甚至还用自拍来演示偏振相机是如何将人脸的三维轮廓可视化的。

鲁宾说:“这项技术可以集成到现有的成像系统中,比如你手机或汽车上的成像系统,从而使偏振成像得到广泛应用,并实现以前没有预见到的新应用。”

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卡帕索说:“这项研究为相机技术开辟了一个令人兴奋的新方向,使我们能够设想在大气科学、遥感、人脸识别、机器视觉等领域的应用。”

哈佛大学技术发展办公室已经保护了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。

这项研究由Gabriele D ‘Aversa, Shi Zhujun和Wei Ting Chen共同完成。它是由国家科学基金会,空军科学研究办公室,一个物理科学和来自哈佛大学技术发展办公室、谷歌加速科学和阿卜杜拉国王科技大学的工程加速器拨款。这项工作的一部分是在哈佛大学纳米系统中心完成的。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/07/harvard-researchers-develop-portable-camera-that-sees-light-vibrate/