導讀
據美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院官網近日報導，該校研究人員開發出一種高度緊湊、便攜的相機，它可在一次拍攝中對偏振成像。這種小型相機可安裝到無人駕駛車輛、飛機或衛星的視覺系統中，用於研究大氣化學或者檢測偽裝物。
背景
首部通過先進的三色染印法製作的電影長片於1935年首映，當時《紐約時報》宣稱：「它在觀眾中製造出站在頂峰上的所有興奮……看到一個奇異、美麗、出人意料的新世界。」
上世紀三十年代的三色染印法相機（圖片來源：維基百科）
染印法永遠改變了相機以及人們觀賞與體驗他們周圍世界的方法。如今，我們登上了一個新的巔峰，觀看「偏振」世界的風景。偏振，是指光線振動方向對於傳播方向的不對稱性，對於人眼來說不可見（但是對於某些蝦和昆蟲卻可見）。
某些蝦的眼睛能採集偏振光信息（圖片來源：Harvard SEAS）
然而，偏振光卻提供了與之交互的物體的大量信息。目前，可見到偏振光的相機可用於檢測材料應力、為檢測物體而增強對比度、分析表面質量（看看是否有凹痕或劃痕）。
可是與早期的彩色相機一樣，當前的偏振敏感相機體積龐大。此外，它們通常依賴於活動部件，且十分昂貴，嚴重限制了其潛在應用範圍。
目前的偏振相機結構（圖片來源：Harvard SEAS）
創新
近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員開發出一種高度緊湊、便攜的相機，它可在一次拍攝中對偏振成像。這種小型相機的尺寸與拇指差不多，可安裝到無人駕駛車輛、飛機或衛星的視覺系統中，用於研究大氣化學或者檢測偽裝物。這項研究發表在《科學（Science）》雜誌上。
（圖片來源：Harvard SEAS）
哈佛大學技術開發辦公室已經為這個項目相關的智慧財產權申請了保護，並且正在探索商業化機會。
技術
論文高級作者、SEAS應用物理系教授、電氣工程系高級研究員費德裡科·卡帕索（Federico Capasso）表示：「這項研究正在改變成像技術的遊戲規則。大多數相機只能檢測光線的強度與顏色，但是無法看到偏振。但是這個相機帶來了針對現實的全新視角，讓我們可以揭示光線是如何在我們周圍的世界反射和傳播的。」
SEAS 博士後研究員、論文高級合著者保羅·切瓦利埃（Paul Chevalier）表示：「偏振是光線的一個特徵，它在表面反射時發生變化。基於這個變化，偏振可以幫助我們對於物體進行三維重建，從而評估其深度、材質與形狀，並區分人造物體和自然物體，即使它們具有同樣的形狀與顏色。」
為了探索強大的偏振世界，卡帕索及其團隊利用了超表面。超表面是一種納米規模的結構，它可在波長尺度上與光線相互作用。
（圖片來源：卡帕索實驗室 / Harvard SEAS）
卡帕索實驗室的研究生、論文第一作者諾亞·魯賓（Noah Rubin）表示：「如果我們想要測量光線的全部偏振狀態。我們需要沿著不同的偏振方向拍幾張照片。之前的設備要麼採用活動部件，要麼沿著不同的路徑發射光線以獲取多張圖像，需要龐大的光學元件。一個新方案採用形成特殊圖案的相機像素，但是這種方案無法測量全部的偏振狀態，並且需要非標準的成像傳感器。在這項研究中，我們將所有需要的光學元件與超表面在單一簡單設備中集成到一起。」
利用對偏振光如何與物體相互作用的新認識，研究人員們設計了一個採用亞波長間隔的納米柱陣列，基於偏振引導光線。然後，光線形成四幅圖像，每幅圖像展示了不同方向的偏振。這些圖像集中到一起，在每個像素上描繪出偏振的全貌。
（圖片來源：Harvard SEAS）
該設備長度大約為兩釐米，不比智慧型手機攝像頭更複雜。加上附著的鏡頭和保護套，設備的尺寸大約等於一個小飯盒。研究人員對這個相機進行了測試，以顯示注塑塑料製品中的瑕疵；將它帶到戶外拍攝汽車擋風玻璃的偏振；甚至通過自拍來演示偏振相機是如何展示人臉的三維輪廓。
（圖片來源：Harvard SEAS）
價值
魯賓表示：「這項技術將集成到現有的成像系統中，例如你的手機或者汽車中的成像系統，使得偏振成像被廣泛採用，並帶來我們未曾預料的新應用。」
卡帕索表示：「這項研究為相機技術開闢了振奮人心的新方向，這些相機將具有前所未有的緊湊度，使我們展望大氣科學、遙感技術、人臉識別、機器視覺等領域的新應用。」
（圖片來源：Harvard SEAS）
關鍵字
相機、成像、視覺