一種獨特的甲蟲 Chrysina gloriosa 對其外殼反射的圓偏振光具有獨特的響應。新系統能正確成像這種手性響應。

哈佛大學的研究人員創新了一種緊湊型單次偏振成像系統，它簡化了傳統的設置，擴大了在醫療、AR和智能手機技術中的應用，增強了實時和機器學習集成成像能力。

想想我們根據物體與光波長的相互作用(又稱顏色)獲得的所有信息。顏色可以告訴我們食物是否可以安全食用，或者一塊金屬是否發熱。在醫學上，顏色是一種重要的診斷工具，可以幫助醫生診斷病變組織、炎癥或血流問題。

公司已投入巨資改善數字成像中的色彩，但波長只是光的一種屬性。偏振-光傳播時電場如何擺動--也蘊含著豐富的信息，但偏振成像仍主要局限于臺式實驗室環境，依賴于傳統光學器件，如安裝在笨重的旋轉支架上的波幅板和偏振器。

緊湊型偏振成像技術的突破

現在，哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員開發出了一種緊湊型單次偏振成像系統，可以提供完整的偏振圖像。該成像系統只需使用兩個薄薄的超表面，就能為生物醫學成像、增強和虛擬現實系統以及智能手機等一系列現有和新型應用釋放出偏振成像的巨大潛力。這項研究發表在《自然·光子學》(Nature Photonics)上。

哈佛大學應用物理系Robert L. Wallace教授、SEAS 電氣工程Vinton Hayes高級研究員、論文的資深作者Federico Capasso說：“這套系統沒有任何移動部件或散裝偏振光學器件，將增強在實時醫學成像、材料表征、機器視覺、目標檢測和其他重要領域的應用能力。”

在之前的研究中，Capasso和他的團隊開發出了首款緊湊型偏振相機，可以在不控制入射光的情況下捕捉所謂的斯托克斯圖像，即物體反射的偏振特征圖像。

主動偏振成像

Capasso研究小組的應屆博士畢業生、論文第一作者 Aun Zaidi 說：“正如物體的陰影甚至顏色會因入射光線的顏色而不同一樣，物體的偏振特征也取決于光源的偏振曲線”。與傳統的偏振成像不同，“主動”'偏振成像，即Mueller矩陣成像，可以通過控制入射偏振來捕捉物體最完整的偏振響應。

目前，Mueller矩陣成像需要一個復雜的光學裝置，其中包括多個旋轉板和偏振器，它們可以依次捕捉一系列圖像，然后將這些圖像組合起來，實現圖像的矩陣表示。

Capasso和他的團隊開發的簡化系統使用了兩個極薄的超表面：一個用于照射物體，另一個用于捕捉和分析另一側的光線。

第一個超表面產生所謂的偏振結構光，其中的偏振被設計成以獨特的模式在空間上變化。當這種偏振光從被照物體上反射或透過時，光束的偏振曲線會發生變化。這種變化被第二個超表面捕捉和分析，以構建最終圖像，只需一次拍攝。

該技術可實現實時高級成像，這對于內窺鏡手術、智能手機的面部識別和 AR/VR 系統的眼球跟蹤等應用非常重要。它還可以與強大的機器學習算法相結合，應用于醫療診斷、材料分類和制藥等領域。

Zaidi 說：“我們將結構光和偏振成像這兩個看似獨立的領域結合在一起，設計出了一個能夠捕捉最完整偏振信息的單一系統。我們使用了納米工程超表面，取代了傳統上此類系統所需的許多組件，大大簡化了設計。”

Capasso說：“我們的單次成像和緊湊型系統為這種成像技術的廣泛應用提供了一條可行的途徑，使需要先進成像技術的應用變得更加強大。”

審核編輯 黃宇