MIT研发新型摄影光学元件，开启光学成像新纪元

cslehe

#111723#据麦姆斯征询报导，麻省理工学院（Massachu-setts Institute of Technology，MIT）的研讨职员开辟出了新型拍照光学元件，该器件是基于光学元件中光芒的反射时光来捕获图象，取代了依附光学元件陈列的传统方式。研讨职员说，该新成像道理为时光/深度相机翻开了传统拍照光学元件没法涉及的新天下。详细地讲，MIT研讨职员计划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，可辨别超短光脉冲图象。
现在，条纹相机及其余超快相机已被用于拍摄每秒1万亿帧的视频、扫描闭合的册本、供给3D场景的深度舆图以及其余利用。因为此类相机依托传统光学元件拍摄图象，因而存在着种种百般的计划限度。比方，对于以毫米或厘米为单元的定焦透镜来讲，透镜与成像传感器的间隔必需即是或大于给定焦距，才干捕获到图象，这就象征着镜头必需很长。

MIT媒体试验室（MIT Media Lab）的研讨职员近期宣布的论文提出了一种新技巧，该技巧可让光信号在透镜体系内准确定位的镜子之间往返反射。疾速成像传感器可在每次反射时光内捕获独自的图象，从而成像出一系列图象：每幅图象均对应于差别的时光点以及与透镜差别的间隔。同时，每幅图象都可在特定的时光被拜访。MIT研讨职员将这类技巧称为“时光折叠光学元件（time folded optics）”。该论文第一作者Barmak Heshmat以为：“当你手握疾速传感器相机，来辨别通过光学元件的光时，你便可应用时光交流空间。这就是‘时光折叠（time folding）’的中心思维：你在此时看光，此时间传布的时光就即是你此时与光源的间隔。因而便可以用新方式来陈列光学元件，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含了一组半反射式的平行镜子，用于增加或“折叠”每次光芒在镜子间反射的焦距。研讨职员通过在透镜与传感器之间放置一组镜子，可在不影响图象捕获的条件下，将光学元件的陈列间隔缩减一个数目级。在该研讨中，研讨职员显现了时光折叠光学元件在超快相机及其余深度感知成像器件的三种方法。这类相机也被称为“飞翔时光（ToF）”相机，用于丈量光脉冲从场景反射出并回到传感器的时光，以预算3D场景的深度。该论文的独特作者还包含：MIT盘算机迷信与人工智能试验室（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、媒体艺术与迷信副教学及相机文明部分担任人Ramesh Raskar。
道理剖析：将光路换算成时光该研讨的光学体系的元件可将飞秒激光脉冲（1飞秒 = 1万万亿分之一秒）投射加入景中并照亮目的物体。传统拍照光学元件成像道理是：当光穿过曲面玻璃时，会转变光信号的外形，这类外形的转变可在传感器上创立图象。但该研讨中光学元件的道理是：光信号并不会直接进入传感器，而是先在镜子间往返反射，用以准确捕获并反射光芒。研讨者将此中的每一次反射称为“来回行程（round trip）”。在每次“来回行程”中，传感器会以特定的时光距离捕获一些光芒，比方设定每30纳秒抓拍1纳秒。
光信号两镜子间“来回行程”表示图本研讨的要害翻新在于：每一次光的“来回行程”都市让核心濒临透镜，传感器根据核心定位来捕获图象。如许便可大幅缩小透镜尺寸。比方，条纹相机想要捕获传统透镜的长焦图象：应用时光折叠光学元件，第一次“来回行程”将核心定位在与凑近透镜的镜子组间隔的两倍，尔后每一次“来回行程”都使核心与透镜离得越来越近。最后依据来回次数的差别来盘算间隔，因而传感器便可以放置在离透镜很近的处所。将传感器放置在由总“来回行程”肯定的准确核心上，相机便可捕获到清楚的图象以及光信号的差别阶段，全部图象均带有差别的时光编码，跟着信号转变外形来发生图象。（最初的几张图片将是含混的，但经由几回“来回行程”摸索后，目的工具就会被正确聚焦。）
根据“光来回”次数盘算间隔，可缩减传感器与透镜的间隔该论文中，研讨职员通过飞秒光脉冲成像刻有“MIT”的掩模（mask）来证实，掩模间隔透镜孔径53厘米。传统20厘米焦距透镜必需在离传感器约32厘米远的处所才干捕获图象。与之比拟，时光折叠光学元件在经由五次“来回行程”后就能将图象聚焦到核心上，且与传感器间隔仅3.1厘米。

传统镜头

改良后的镜头，长度大大收缩Heshmat以为，这项研讨对于计划更紧凑的望远镜透镜捕获来自太空的超快信号，亦或是计划尺寸更小且分量更轻的透镜拍摄地球名义，都长短常有效的。多变焦且色采丰盛接上去，研讨职员实验对“X”和“II”两种图案停止成像。两图案距离约为50厘米，且均在相机视野范畴内。“X”图案距透镜55厘米，而“II”图案距透镜只4厘米。通过准确地从新陈列光学元件（如将透镜置于两镜子之间），使每次“来回行程”都在单次图象收集中缩小了光芒，就实现了整形光芒。这就似乎相机在每次来回中都能变焦。
当他们把激光发射出场景时，仅按一次快门，便可失掉两幅自力且聚焦的图象（在第一次“来回”中捕获X的图象，在第二次“来回”中捕获II图象）。而后，研讨职员展现了超快多光谱（或多色）相机。他们计划了两种色彩反射镜和一种宽带镜：一种色彩反射镜是通过反射色彩，以更濒临透镜；另一种色彩反射镜则是通过反射第二种色彩，以从透镜前移开。应用此类相机成像带有“A”和“B”的掩模发明，第二种色彩照亮A，而第一种色彩照亮了B，时光均为非常之几皮秒。
这是因为当光芒进入相机时，第一种色彩的波长会即时在第一个腔内往返反射，由传感器记载其时光。但是，第二种色彩的波长会穿过第一个腔进入第二个腔，这就会使它们达到传感器时光的稍微耽误。因为研讨职员懂得差别色彩波长到达传感器的时光，他们便可将响应的色彩叠加到图象上（如第一个波长是第一种色彩，第二个是第二种色彩）。Heshmat说，这些对于现在只能记载红外光的深度传感相机来讲大有效处。Heshmat以为，该论文的要害奉献在于：它能够通过调剂空腔间距或应用差别范例的空腔、传感器及透镜，来为多种光学元件计划翻开大门。
Heshmat说：“中心信息就是，当你手握疾速相机或许深度传感器时，你就不必像传统相机那样须要计划光学元件。你能够通过在适当时光成像来实现更多的拍摄可能。”光子学试验室主任、加州大学伯克利分校电子与盘算机工程教学Bahram Jalali说：“这项任务开辟了时光维度，使得应用脉冲激光照明的超快相机实现了新功效。这为计划成像体系开拓了一条新途径。超快成像技巧使得应用如构造等散射介质成像成为可能，这一任务无望改良医学成像，特殊是手术显微镜。”
更多内容阅读推荐：冰箱门封条吸力不强怎么办