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MIT巧妙开发“时间折叠光学元件” 开启光学成像新纪元

来源:微迷网

  发布:星之球科技

关键词:传感器 激光技术

2018-08-20

 据麦姆斯咨询报道,麻省理工学院(Massachu-setts Institute of Technology,MIT)的研究人员开发出了新型摄影光学元件,该器件是基于光学元件中光线的反射时间来捕捉图像,代替了依赖光学元件排列的传统方法。研究人员说,该新成像原理为时间/深度相机打开了传统摄影光学元件无法触及的新世界。
具体地讲,MIT研究人员设计了一款新型光学元件,用于名为“条纹相机(streak camera)”的超快传感器,可分辨超短光脉冲图像。目前,条纹相机及其他超快相机已被用于拍摄每秒1万亿帧的视频、扫描闭合的书籍、提供3D场景的深度地图以及其他应用。由于此类相机依靠传统光学元件拍摄图像,因此存在着各种各样的设计限制。例如,对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必须等于或大于给定焦距,才能捕捉到图像,这就意味着镜头必须很长。
MIT媒体实验室(MIT Media Lab)的研究人员近期在Nature Photonics上发表的论文提出了一种新技术,该技术可让光信号在透镜系统内精确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间内捕捉单独的图像,从而成像出一系列图像:每幅图像均对应于不同的时间点以及与透镜不同的距离。同时,每幅图像均可在特定的时间被访问。MIT研究人员将这种技术称为“时间折叠光学元件(time folded optics)”。
该论文第一作者Barmak Heshmat认为:“当你手握快速传感器相机,来分辨通过光学元件的光时,你就可利用时间交换空间。这就是‘时间折叠(time folding)’的核心思想:你在此时看光,此时光传播的时间就等于你此时与光源的距离。因此就可以用新方法来排列光学元件,也就能实现以往难以企及的拍摄场景。”
新型光学元件架构包括了一组半反射式的平行镜子,用于减少或“折叠”每次光线在镜子间反射的焦距。研究人员通过在透镜与传感器之间放置一组镜子,可在不影响图像捕捉的前提下,将光学元件的排列距离缩减一个数量级。
在该研究中,研究人员呈现了时间折叠光学元件在超快相机及其他深度感知成像器件的三种方式。这类相机也被称为“飞行时间(ToF)”相机,用于测量光脉冲从场景反射出并回到传感器的时间,以估算3D场景的深度。
该论文的共同作者还包括:MIT计算机科学与人工智能实验室(MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory)的研究生Matthew Tancik、媒体实验室相机文化部门(Camera Culture Group)的博士生Guy Satat、媒体艺术与科学副教授及相机文化部门负责人Ramesh Raskar。
原理解析:将光路换算成时间
该研究的光学系统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目标物体。传统摄影光学元件成像原理是:当光穿过曲面玻璃时,会改变光信号的形状,这种形状的改变可在传感器上创建图像。但该研究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。研究者将其中的每一次反射称为“往返行程(round trip)”。在每次“往返行程”中,传感器会以特定的时间间隔捕捉一些光线,例如设定每30纳秒抓拍1纳秒。
本研究的关键创新在于:每一次光的“往返行程”都会让焦点接近透镜,传感器依据焦点定位来捕捉图像。这样就可大幅缩小透镜尺寸。比如,条纹相机想要捕捉传统透镜的长焦图像:利用时间折叠光学元件,第一次“往返行程”将焦点定位在与靠近透镜的镜子组距离的两倍,此后每一次“往返行程”都使焦点与透镜离得越来越近。最后根据往返次数的不同来计算距离,因此传感器就可以放置在离透镜很近的地方。
将传感器放置在由总“往返行程”确定的精确焦点上,相机就可捕捉到清晰的图像以及光信号的不同阶段,所有图像均带有不同的时间编码,随着信号改变形状来产生图像。(最初的几张图片将是模糊的,但经过几次“往返行程”试探后,目标对象就会被准确聚焦)
该论文中,研究人员通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厘米焦距透镜必须在离传感器约32厘米远的地方才能捕捉图像。与之相比,时间折叠光学元件在经过五次“往返行程”后就能将图像聚焦到焦点上,且与传感器距离仅3.1厘米。
 
MIT巧妙开发“时间折叠光学元件” 开启光学成像新纪元
传统镜头
 
MIT巧妙开发“时间折叠光学元件” 开启光学成像新纪元
改进后的镜头,长度大大缩短
Heshmat认为,这项研究对于设计更紧凑的望远镜透镜捕捉来自太空的超快信号,亦或是设计尺寸更小且重量更轻的透镜拍摄地球表面,都是非常有用的。

多变焦且色彩丰富
接下来,研究人员尝试对“X”和“II”两种图案进行成像。两图案间隔约为50厘米,且均在相机视线范围内。“X”图案距透镜55厘米,而“II”图案距透镜只4厘米。通过精确地重新排列光学元件(如将透镜置于两镜子之间),使每次“往返行程”都在单次图像采集中放大了光线,就实现了整形光线。这就好像相机在每次往返中都能变焦。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焦的图像(在第一次“往返”中捕捉X的图像,在第二次“往返”中捕捉II图像)。
然后,研究人员展示了超快多光谱(或多色)相机。他们设计了两种颜色反射镜和一种宽带镜:一种颜色反射镜是通过反射颜色,以更接近透镜;另一种颜色反射镜则是通过反射第二种颜色,以从透镜前移开。利用此类相机成像带有“A”和“B”的掩模发现,第二种颜色照亮A,而第一种颜色照亮了B,时间均为十分之几皮秒。
这是由于当光线进入相机时,第一种颜色的波长会立即在第一个腔内来回反射,由传感器记录其时间。然而,第二种颜色的波长会穿过第一个腔进入第二个腔,这就会使它们到达传感器时间的略微延迟。由于研究人员了解不同颜色波长抵达传感器的时间,他们就可将相应的颜色叠加到图像上(如第一个波长是第一种颜色,第二个是第二种颜色)。Heshmat说,这些对于目前只能记录红外光的深度传感相机来说大有用处。
Heshmat认为,该论文的关键贡献在于:它可以通过调整空腔间距或使用不同类型的空腔、传感器及透镜,来为多种光学元件设计打开大门。Heshmat说:“核心信息就是,当你手握快速相机或者深度传感器时,你就不用像传统相机那样需要设计光学元件。你可以通过在恰当时间成像来实现更多的拍摄可能。”
光子学实验室主任、加州大学伯克利分校电子与计算机工程教授Bahram Jalali说:“这项工作开发了时间维度,使得利用脉冲激光照明的超快相机实现了新功能。这为设计成像系统开辟了一条新道路。超快成像技术使得利用如组织等散射介质成像成为可能,这一工作有望改善医学成像,特别是手术显微镜。”