MIT研發新型攝影光學元件,開啟光學成像新紀元

2020-11-26 電子發燒友

MIT研發新型攝影光學元件，開啟光學成像新紀元

工程師郭婷 發表於 2018-08-24 15:07:53

據麥姆斯諮詢報導，麻省理工學院（Massachu-setts Institute of Technology，MIT）的研究人員開發出了新型攝影光學元件，該器件是基於光學元件中光線的反射時間來捕捉圖像，代替了依賴光學元件排列的傳統方法。研究人員說，該新成像原理為時間/深度相機打開了傳統攝影光學元件無法觸及的新世界。具體地講，MIT研究人員設計了一款新型光學元件，用於名為「條紋相機（streak camera）」的超快傳感器，可分辨超短光脈衝圖像。

目前，條紋相機及其他超快相機已被用於拍攝每秒1萬億幀的視頻、掃描閉合的書籍、提供3D場景的深度地圖以及其他應用。由於此類相機依靠傳統光學元件拍攝圖像，因此存在著各種各樣的設計限制。例如，對於以毫米或釐米為單位的定焦透鏡來說，透鏡與成像傳感器的距離必須等於或大於給定焦距，才能捕捉到圖像，這就意味著鏡頭必須很長。

MIT媒體實驗室（MIT Media Lab）的研究人員近期發表的論文提出了一種新技術，該技術可讓光信號在透鏡系統內精確定位的鏡子之間來回反射。快速成像傳感器可在每次反射時間內捕捉單獨的圖像，從而成像出一系列圖像：每幅圖像均對應於不同的時間點以及與透鏡不同的距離。同時，每幅圖像均可在特定的時間被訪問。MIT研究人員將這種技術稱為「時間摺疊光學元件（time folded optics）」。該論文第一作者Barmak Heshmat認為：「當你手握快速傳感器相機，來分辨通過光學元件的光時，你就可利用時間交換空間。這就是『時間摺疊（time folding）』的核心思想：你在此時看光，此時光傳播的時間就等於你此時與光源的距離。因此就可以用新方法來排列光學元件，也就能實現以往難以企及的拍攝場景。

」新型光學元件架構包括了一組半反射式的平行鏡子，用於減少或「摺疊」每次光線在鏡子間反射的焦距。研究人員通過在透鏡與傳感器之間放置一組鏡子，可在不影響圖像捕捉的前提下，將光學元件的排列距離縮減一個數量級。在該研究中，研究人員呈現了時間摺疊光學元件在超快相機及其他深度感知成像器件的三種方式。這類相機也被稱為「飛行時間（ToF）」相機，用於測量光脈衝從場景反射出並回到傳感器的時間，以估算3D場景的深度。該論文的共同作者還包括：MIT計算機科學與人工智慧實驗室（MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory）的研究生Matthew Tancik、媒體實驗室相機文化部門（Camera Culture Group）的博士生Guy Satat、媒體藝術與科學副教授及相機文化部門負責人Ramesh Raskar。

原理解析：將光路換算成時間該研究的光學系統的元件可將飛秒雷射脈衝（1飛秒 = 1千萬億分之一秒）投射到場景中並照亮目標物體。傳統攝影光學元件成像原理是：當光穿過曲面玻璃時，會改變光信號的形狀，這種形狀的改變可在傳感器上創建圖像。但該研究中光學元件的原理是：光信號並不會直接進入傳感器，而是先在鏡子間來回反射，用以精確捕捉並反射光線。研究者將其中的每一次反射稱為「往返行程（round trip）」。在每次「往返行程」中，傳感器會以特定的時間間隔捕捉一些光線，例如設定每30納秒抓拍1納秒。

光信號兩鏡子間「往返行程」示意圖本研究的關鍵創新在於：每一次光的「往返行程」都會讓焦點接近透鏡，傳感器依據焦點定位來捕捉圖像。這樣就可大幅縮小透鏡尺寸。比如，條紋相機想要捕捉傳統透鏡的長焦圖像：利用時間摺疊光學元件，第一次「往返行程」將焦點定位在與靠近透鏡的鏡子組距離的兩倍，此後每一次「往返行程」都使焦點與透鏡離得越來越近。最後根據往返次數的不同來計算距離，因此傳感器就可以放置在離透鏡很近的地方。將傳感器放置在由總「往返行程」確定的精確焦點上，相機就可捕捉到清晰的圖像以及光信號的不同階段，所有圖像均帶有不同的時間編碼，隨著信號改變形狀來產生圖像。（最初的幾張圖片將是模糊的，但經過幾次「往返行程」試探後，目標對象就會被準確聚焦。）

依據「光往返」次數計算距離，可縮減傳感器與透鏡的距離該論文中，研究人員通過飛秒光脈衝成像刻有「MIT」的掩模（mask）來證明，掩模距離透鏡孔徑53釐米。傳統20釐米焦距透鏡必須在離傳感器約32釐米遠的地方才能捕捉圖像。與之相比，時間摺疊光學元件在經過五次「往返行程」後就能將圖像聚焦到焦點上，且與傳感器距離僅3.1釐米。

傳統鏡頭

改進後的鏡頭，長度大大縮短Heshmat認為，這項研究對於設計更緊湊的望遠鏡透鏡捕捉來自太空的超快信號，亦或是設計尺寸更小且重量更輕的透鏡拍攝地球表面，都是非常有用的。多變焦且色彩豐富接下來，研究人員嘗試對「X」和「II」兩種圖案進行成像。兩圖案間隔約為50釐米，且均在相機視線範圍內。「X」圖案距透鏡55釐米，而「II」圖案距透鏡只4釐米。通過精確地重新排列光學元件（如將透鏡置於兩鏡子之間），使每次「往返行程」都在單次圖像採集中放大了光線，就實現了整形光線。這就好像相機在每次往返中都能變焦。

當他們把雷射發射進場景時，僅按一次快門，就可得到兩幅獨立且聚焦的圖像（在第一次「往返」中捕捉X的圖像，在第二次「往返」中捕捉II圖像）。然後，研究人員展示了超快多光譜（或多色）相機。他們設計了兩種顏色反射鏡和一種寬帶鏡：一種顏色反射鏡是通過反射顏色，以更接近透鏡；另一種顏色反射鏡則是通過反射第二種顏色，以從透鏡前移開。利用此類相機成像帶有「A」和「B」的掩模發現，第二種顏色照亮A，而第一種顏色照亮了B，時間均為十分之幾皮秒。

這是由於當光線進入相機時，第一種顏色的波長會立即在第一個腔內來回反射，由傳感器記錄其時間。然而，第二種顏色的波長會穿過第一個腔進入第二個腔，這就會使它們到達傳感器時間的略微延遲。由於研究人員了解不同顏色波長抵達傳感器的時間，他們就可將相應的顏色疊加到圖像上（如第一個波長是第一種顏色，第二個是第二種顏色）。Heshmat說，這些對於目前只能記錄紅外光的深度傳感相機來說大有用處。Heshmat認為，該論文的關鍵貢獻在於：它可以通過調整空腔間距或使用不同類型的空腔、傳感器及透鏡，來為多種光學元件設計打開大門。

Heshmat說：「核心信息就是，當你手握快速相機或者深度傳感器時，你就不用像傳統相機那樣需要設計光學元件。你可以通過在恰當時間成像來實現更多的拍攝可能。」光子學實驗室主任、加州大學伯克利分校電子與計算機工程教授Bahram Jalali說：「這項工作開發了時間維度，使得利用脈衝雷射照明的超快相機實現了新功能。這為設計成像系統開闢了一條新道路。超快成像技術使得利用如組織等散射介質成像成為可能，這一工作有望改善醫學成像，特別是手術顯微鏡。」

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