对偏振敏感！这款相机可用于无人驾驶、人脸识别、机器视觉等领域

导读

据美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院官网近日报道，该校研究人员开发出一种高度紧凑、便携的相机，它可在一次拍摄中对偏振成像。这种小型相机可安装到无人驾驶车辆、飞机或卫星的视觉系统中，用于研究大气化学或者检测伪装物。

背景

首部通过先进的三色染印法制作的电影长片于1935年首映，当时《纽约时报》宣称：“它在观众中制造出站在顶峰上的所有兴奋……看到一个奇异、美丽、出人意料的新世界。”

上世纪三十年代的三色染印法相机（图片来源：维基百科）

染印法永远改变了相机以及人们观赏与体验他们周围世界的方法。如今，我们登上了一个新的巅峰，观看“偏振”世界的风景。偏振，是指光线振动方向对于传播方向的不对称性，对于人眼来说不可见（但是对于某些虾和昆虫却可见）。

某些虾的眼睛能采集偏振光信息（图片来源：Harvard SEAS）

然而，偏振光却提供了与之交互的物体的大量信息。目前，可见到偏振光的相机可用于检测材料应力、为检测物体而增强对比度、分析表面质量（看看是否有凹痕或划痕）。

可是与早期的彩色相机一样，当前的偏振敏感相机体积庞大。此外，它们通常依赖于活动部件，且十分昂贵，严重限制了其潜在应用范围。

目前的偏振相机结构（图片来源：Harvard SEAS）

创新

近日，美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发出一种高度紧凑、便携的相机，它可在一次拍摄中对偏振成像。这种小型相机的尺寸与拇指差不多，可安装到无人驾驶车辆、飞机或卫星的视觉系统中，用于研究大气化学或者检测伪装物。这项研究发表在《科学（Science）》杂志上。

（图片来源：Harvard SEAS）

哈佛大学技术开发办公室已经为这个项目相关的知识产权申请了保护，并且正在探索商业化机会。

技术

论文高级作者、SEAS应用物理系教授、电气工程系高级研究员费德里科·卡帕索（Federico Capasso）表示：“这项研究正在改变成像技术的游戏规则。大多数相机只能检测光线的强度与颜色，但是无法看到偏振。但是这个相机带来了针对现实的全新视角，让我们可以揭示光线是如何在我们周围的世界反射和传播的。”

SEAS 博士后研究员、论文高级合著者保罗·切瓦利埃（Paul Chevalier）表示：“偏振是光线的一个特征，它在表面反射时发生变化。基于这个变化，偏振可以帮助我们对于物体进行三维重建，从而评估其深度、材质与形状，并区分人造物体和自然物体，即使它们具有同样的形状与颜色。”

为了探索强大的偏振世界，卡帕索及其团队利用了超表面。超表面是一种纳米规模的结构，它可在波长尺度上与光线相互作用。

（图片来源：卡帕索实验室 / Harvard SEAS）

卡帕索实验室的研究生、论文第一作者诺亚·鲁宾（Noah Rubin）表示：“如果我们想要测量光线的全部偏振状态。我们需要沿着不同的偏振方向拍几张照片。之前的设备要么采用活动部件，要么沿着不同的路径发射光线以获取多张图像，需要庞大的光学元件。一个新方案采用形成特殊图案的相机像素，但是这种方案无法测量全部的偏振状态，并且需要非标准的成像传感器。在这项研究中，我们将所有需要的光学元件与超表面在单一简单设备中集成到一起。”

利用对偏振光如何与物体相互作用的新认识，研究人员们设计了一个采用亚波长间隔的纳米柱阵列，基于偏振引导光线。然后，光线形成四幅图像，每幅图像展示了不同方向的偏振。这些图像集中到一起，在每个像素上描绘出偏振的全貌。

该设备长度大约为两厘米，不比智能手机摄像头更复杂。加上附着的镜头和保护套，设备的尺寸大约等于一个小饭盒。研究人员对这个相机进行了测试，以显示注塑塑料制品中的瑕疵；将它带到户外拍摄汽车挡风玻璃的偏振；甚至通过自拍来演示偏振相机是如何展示人脸的三维轮廓。

价值

鲁宾表示：“这项技术将集成到现有的成像系统中，例如你的手机或者汽车中的成像系统，使得偏振成像被广泛采用，并带来我们未曾预料的新应用。”

卡帕索表示：“这项研究为相机技术开辟了振奋人心的新方向，这些相机将具有前所未有的紧凑度，使我们展望大气科学、遥感技术、人脸识别、机器视觉等领域的新应用。”

关键字

相机、成像、视觉

参考资料

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2019/07/camera-brings-unseen-world-to-light