MIT研發(fā)新型攝影光學(xué)元件，開啟光學(xué)成像新紀(jì)元

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院（Massachu-setts Institute of Technology，MIT）的研究人員開發(fā)出了新型攝影光學(xué)元件，該器件是基于光學(xué)元件中光線的反射時(shí)間來捕捉圖像，代替了依賴光學(xué)元件排列的傳統(tǒng)方法。研究人員說，該新成像原理為時(shí)間/深度相機(jī)打開了傳統(tǒng)攝影光學(xué)元件無法觸及的新世界。具體地講，MIT研究人員設(shè)計(jì)了一款新型光學(xué)元件，用于名為“條紋相機(jī)（streak camera）”的超快傳感器，可分辨超短光脈沖圖像。

目前，條紋相機(jī)及其他超快相機(jī)已被用于拍攝每秒1萬億幀的視頻、掃描閉合的書籍、提供3D場(chǎng)景的深度地圖以及其他應(yīng)用。由于此類相機(jī)依靠傳統(tǒng)光學(xué)元件拍攝圖像，因此存在著各種各樣的設(shè)計(jì)限制。例如，對(duì)于以毫米或厘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于或大于給定焦距，才能捕捉到圖像，這就意味著鏡頭必須很長(zhǎng)。

MIT媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）的研究人員近期發(fā)表的論文提出了一種新技術(shù)，該技術(shù)可讓光信號(hào)在透鏡系統(tǒng)內(nèi)精確定位的鏡子之間來回反射?？焖俪上駛鞲衅骺稍诿看畏瓷鋾r(shí)間內(nèi)捕捉單獨(dú)的圖像，從而成像出一系列圖像：每幅圖像均對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間點(diǎn)以及與透鏡不同的距離。同時(shí)，每幅圖像均可在特定的時(shí)間被訪問。MIT研究人員將這種技術(shù)稱為“時(shí)間折疊光學(xué)元件（time folded optics）”。該論文第一作者Barmak Heshmat認(rèn)為：“當(dāng)你手握快速傳感器相機(jī)，來分辨通過光學(xué)元件的光時(shí)，你就可利用時(shí)間交換空間。這就是‘時(shí)間折疊（time folding）’的核心思想：你在此時(shí)看光，此時(shí)光傳播的時(shí)間就等于你此時(shí)與光源的距離。因此就可以用新方法來排列光學(xué)元件，也就能實(shí)現(xiàn)以往難以企及的拍攝場(chǎng)景。

”新型光學(xué)元件架構(gòu)包括了一組半反射式的平行鏡子，用于減少或“折疊”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(xué)元件的排列距離縮減一個(gè)數(shù)量級(jí)。在該研究中，研究人員呈現(xiàn)了時(shí)間折疊光學(xué)元件在超快相機(jī)及其他深度感知成像器件的三種方式。這類相機(jī)也被稱為“飛行時(shí)間（ToF）”相機(jī)，用于測(cè)量光脈沖從場(chǎng)景反射出并回到傳感器的時(shí)間，以估算3D場(chǎng)景的深度。該論文的共同作者還包括：MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory）的研究生Matthew Tancik、媒體實(shí)驗(yàn)室相機(jī)文化部門（Camera Culture Group）的博士生Guy Satat、媒體藝術(shù)與科學(xué)副教授及相機(jī)文化部門負(fù)責(zé)人Ramesh Raskar。

原理解析：將光路換算成時(shí)間該研究的光學(xué)系統(tǒng)的元件可將飛秒激光脈沖（1飛秒 = 1千萬億分之一秒）投射到場(chǎng)景中并照亮目標(biāo)物體。傳統(tǒng)攝影光學(xué)元件成像原理是：當(dāng)光穿過曲面玻璃時(shí)，會(huì)改變光信號(hào)的形狀，這種形狀的改變可在傳感器上創(chuàng)建圖像。但該研究中光學(xué)元件的原理是：光信號(hào)并不會(huì)直接進(jìn)入傳感器，而是先在鏡子間來回反射，用以精確捕捉并反射光線。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(huì)以特定的時(shí)間間隔捕捉一些光線，例如設(shè)定每30納秒抓拍1納秒。

光信號(hào)兩鏡子間“往返行程”示意圖本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于：每一次光的“往返行程”都會(huì)讓焦點(diǎn)接近透鏡，傳感器依據(jù)焦點(diǎn)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(jī)想要捕捉傳統(tǒng)透鏡的長(zhǎng)焦圖像：利用時(shí)間折疊光學(xué)元件，第一次“往返行程”將焦點(diǎn)定位在與靠近透鏡的鏡子組距離的兩倍，此后每一次“往返行程”都使焦點(diǎn)與透鏡離得越來越近。最后根據(jù)往返次數(shù)的不同來計(jì)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(diǎn)上，相機(jī)就可捕捉到清晰的圖像以及光信號(hào)的不同階段，所有圖像均帶有不同的時(shí)間編碼，隨著信號(hào)改變形狀來產(chǎn)生圖像。（最初的幾張圖片將是模糊的，但經(jīng)過幾次“往返行程”試探后，目標(biāo)對(duì)象就會(huì)被準(zhǔn)確聚焦。）

依據(jù)“光往返”次數(shù)計(jì)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沖成像刻有“MIT”的掩模（mask）來證明，掩模距離透鏡孔徑53厘米。傳統(tǒng)20厘米焦距透鏡必須在離傳感器約32厘米遠(yuǎn)的地方才能捕捉圖像。與之相比，時(shí)間折疊光學(xué)元件在經(jīng)過五次“往返行程”后就能將圖像聚焦到焦點(diǎn)上，且與傳感器距離僅3.1厘米。

傳統(tǒng)鏡頭

改進(jìn)后的鏡頭，長(zhǎng)度大大縮短Heshmat認(rèn)為，這項(xiàng)研究對(duì)于設(shè)計(jì)更緊湊的望遠(yuǎn)鏡透鏡捕捉來自太空的超快信號(hào)，亦或是設(shè)計(jì)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(duì)“X”和“II”兩種圖案進(jìn)行成像。兩圖案間隔約為50厘米，且均在相機(jī)視線范圍內(nèi)。“X”圖案距透鏡55厘米，而“II”圖案距透鏡只4厘米。通過精確地重新排列光學(xué)元件（如將透鏡置于兩鏡子之間），使每次“往返行程”都在單次圖像采集中放大了光線，就實(shí)現(xiàn)了整形光線。這就好像相機(jī)在每次往返中都能變焦。

當(dāng)他們把激光發(fā)射進(jìn)場(chǎng)景時(shí)，僅按一次快門，就可得到兩幅獨(dú)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）。然后，研究人員展示了超快多光譜（或多色）相機(jī)。他們?cè)O(shè)計(jì)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(jī)成像帶有“A”和“B”的掩模發(fā)現(xiàn)，第二種顏色照亮A，而第一種顏色照亮了B，時(shí)間均為十分之幾皮秒。

這是由于當(dāng)光線進(jìn)入相機(jī)時(shí)，第一種顏色的波長(zhǎng)會(huì)立即在第一個(gè)腔內(nèi)來回反射，由傳感器記錄其時(shí)間。然而，第二種顏色的波長(zhǎng)會(huì)穿過第一個(gè)腔進(jìn)入第二個(gè)腔，這就會(huì)使它們到達(dá)傳感器時(shí)間的略微延遲。由于研究人員了解不同顏色波長(zhǎng)抵達(dá)傳感器的時(shí)間，他們就可將相應(yīng)的顏色疊加到圖像上（如第一個(gè)波長(zhǎng)是第一種顏色，第二個(gè)是第二種顏色）。Heshmat說，這些對(duì)于目前只能記錄紅外光的深度傳感相機(jī)來說大有用處。Heshmat認(rèn)為，該論文的關(guān)鍵貢獻(xiàn)在于：它可以通過調(diào)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(xué)元件設(shè)計(jì)打開大門。

Heshmat說：“核心信息就是，當(dāng)你手握快速相機(jī)或者深度傳感器時(shí)，你就不用像傳統(tǒng)相機(jī)那樣需要設(shè)計(jì)光學(xué)元件。你可以通過在恰當(dāng)時(shí)間成像來實(shí)現(xiàn)更多的拍攝可能。”光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、加州大學(xué)伯克利分校電子與計(jì)算機(jī)工程教授Bahram Jalali說：“這項(xiàng)工作開發(fā)了時(shí)間維度，使得利用脈沖激光照明的超快相機(jī)實(shí)現(xiàn)了新功能。這為設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)開辟了一條新道路。超快成像技術(shù)使得利用如組織等散射介質(zhì)成像成為可能，這一工作有望改善醫(yī)學(xué)成像，特別是手術(shù)顯微鏡。”