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MIT开发“时间折叠光学元件” 开启光学成像新纪

时间:2018-11-24 阅读: 180次

  据麦姆斯咨询报导,麻省理工学院(Massachu-setts Institute of Technology,MIT)的研讨人员开发出了新式拍照光学元件,该器材是依据光学元件中光线的反射时刻来捕捉图画,替代了依托光学元件摆放的传统办法。研讨人员说,该新成像原理为时刻/深度相机翻开了传统拍照光学元件无法触及的新世界。详细地讲,MIT研讨人员规划了一款新式光学元件,用于名为“条纹相机(streak camera)”的超快传感器,可分辩超短光脉冲图画。现在,条纹相机及其他超快相机已被用于拍照每秒1万亿帧的视频、扫描闭合的书本、供给3D场景的深度地图以及其他运用。因为此类相机依托传统光学元件拍照图画,因而存在着各式各样的规划约束。例如,关于以毫米或厘米为单位的定焦透镜来说,透镜与成像传感器的距离有必要等于或大于给定焦距,才干捕捉到图画,这就意味着镜头有必要很长。MIT媒体试验室(MIT Media Lab)的研讨人员近期在Nature Photonics上宣布的论文提出了一种新技能,该技能可让光信号在透镜体系内准断定位的镜子之间来回反射。

   快速成像传感器可在每次反射时刻内捕捉独自的图画,然后成像出一系列图画:每幅图画均对应于不同的时刻点以及与透镜不同的距离。一起,每幅图画均可在特定的时刻被拜访。MIT研讨人员将这种技能称为“时刻折叠光学元件(time folded optics)”。该论文榜首作者Barmak Heshmat以为:“当你手握快速传感器相机,来分辩经过光学元件的光时,你就可运用时刻交流空间。这就是‘时刻折叠(time folding)’的中心思维:你在此刻看光,此刻光传达的时刻就等于你此刻与光源的距离。因而就能够用新办法来摆放光学元件,也就能完成以往难以企及的拍照场景。”新式光学元件架构包含了一组半反射式的平行镜子,用于削减或“折叠”每次光线在镜子间反射的焦距。研讨人员经过在透镜与传感器之间放置一组镜子,可在不影响图画捕捉的前提下,将光学元件的摆放距离减缩一个数量级。在该研讨中,研讨人员出现了时刻折叠光学元件在超快相机及其他深度感知成像器材的三种方法。这类相机也被称为“飞翔时刻(ToF)”相机,用于丈量光脉冲从场景反射出并回到传感器的时刻,以预算3D场景的深度。该论文的一起作者还包含:MIT核算机科学与人工智能试验室(MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory)的研讨生Matthew Tancik、媒体试验室相机文明部分(Camera Culture Group)的博士生Guy Satat、媒体艺术与科学副教授及相机文明部分负责人Ramesh Raskar。原理解析:将光路换算成时刻该研讨的光学体系的元件可将飞秒激光脉冲(1飞秒 = 1千万亿分之一秒)投射到场景中并照亮方针物体。传统拍照光学元件成像原理是:当光穿过曲面玻璃时,会改动光信号的形状,这种形状的改动可在传感器上创立图画。但该研讨中光学元件的原理是:光信号并不会直接进入传感器,而是先在镜子间来回反射,用以精确捕捉并反射光线。研讨者将其间的每一次反射称为“往复行程(round trip)”。在每次“往复行程”中,传感器会以特定的时刻距离捕捉一些光线,例如设定每30纳秒抓拍1纳秒。本研讨的要害立异在于:每一次光的“往复行程”都会让焦点挨近透镜,传感器依据焦点定位来捕捉图画。这样就可大幅缩小透镜尺度。比方,条纹相机想要捕捉传统透镜的长焦图画:运用时刻折叠光学元件,榜首次“往复行程”将焦点定位在与挨近透镜的镜子组距离的两倍,尔后每一次“往复行程”都使焦点与透镜离得越来越近。最终依据往复次数的不同来核算距离,因而传感器就能够放置在离透镜很近的当地。将传感器放置在由总“往复行程”断定的精确焦点上,相机就可捕捉到明晰的图画以及光信号的不同阶段,一切图画均带有不同的时刻编码,跟着信号改动形状来发生图画。(开始的几张图片将是含糊的,但经过几回“往复行程”打听后,方针目标就会被精确聚集)该论文中,研讨人员经过飞秒光脉冲成像刻有“MIT”的掩模(mask)来证明,掩模距离透镜孔径53厘米。传统20厘米焦距透镜有必要在离传感器约32厘米远的当地才干捕捉图画。与之比较,时刻折叠光学元件在经过五次“往复行程”后就能将图画聚集到焦点上,且与传感器距离仅3.1厘米。传统镜头改进后的镜头,长度大大缩短Heshmat以为,这项研讨关于规划更紧凑的望远镜透镜捕捉来自太空的超快信号,亦或是规划尺度更小且分量更轻的透镜拍照地球表面,都是十分有用的。多变焦且色彩丰厚接下来,研讨人员测验对“X”和“II”两种图画进行成像。两图画距离约为50厘米,且均在相机视野范围内。“X”图画距透镜55厘米,而“II”图画距透镜只4厘米。经过精确地重新摆放光学元件(如将透镜置于两镜子之间),使每次“往复行程”都在单次图画收集中扩大了光线,就完成了整形光线。这就如同相机在每次往复中都能变焦。当他们把激光发射进场景时,仅按一次快门,就可得到两幅独立且聚集的图画(在榜首次“往复”中捕捉X的图画,在第2次“往复”中捕捉II图画)。然后,研讨人员展现了超快多光谱(或多色)相机。他们规划了两种色彩反射镜和一种宽带镜:一种色彩反射镜是经过反射色彩,以更挨近透镜;另一种色彩反射镜则是经过反射第二种色彩,以从透镜前移开。运用此类相机成像带有“A”和“B”的掩模发现,第二种色彩照亮A,而榜首种色彩照亮了B,时刻均为十分之几皮秒。这是因为当光线进入相机时,榜首种色彩的波长会立即在榜首个腔内来回反射,由传感器记载其时刻。但是,第二种色彩的波长会穿过榜首个腔进入第二个腔,这就会使它们抵达传感器时刻的稍微推迟。因为研讨人员了解不同色彩波长抵达传感器的时刻,他们就可将相应的色彩叠加到图画上(如榜首个波长是榜首种色彩,第二个是第二种色彩)。Heshmat说,这些关于现在只能记载红外光的深度传感相机来说大有用途。Heshmat以为,该论文的要害奉献在于:它能够经过调整空腔距离或运用不同类型的空腔、传感器及透镜,来为多种光学元件规划翻开大门。Heshmat说:“中心信息就是,当你手握快速相机或许深度传感器时,你就不必像传统相机那样需求规划光学元件。你能够经过在恰当时刻成像来完成更多的拍照或许。”光子学试验室主任、加州大学伯克利分校电子与核算机工程教授Bahram Jalali说:“这项作业开发了时刻维度,使得运用脉冲激光照明的超快相机完成了新功能。这为规划成像体系拓荒了一条新路途。超快成像技能使得运用如安排等散射介质成像成为或许,这一作业有望改进医学成像,特别是手术显微镜。”

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