MIT巧妙開發(fā)“時間折疊光學(xué)元件” 開啟光學(xué)成像新紀(jì)元

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，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)計限制。例如，對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。

　　MIT媒體實驗室(MIT Media Lab)的研究人員近期在Nature Photonics上發(fā)表的論文提出了一種新技術(shù)，該技術(shù)可讓光信號在透鏡系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)捕捉單獨的圖像，從而成像出一系列圖像：每幅圖像均對應(yīng)于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(shù)稱為“時間折疊光學(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，你就可利用時間交換空間。這就是‘時間折疊(time folding)’的核心思想：你在此時看光，此時光傳播的時間就等于你此時與光源的距離。因此就可以用新方法來排列光學(xué)元件，也就能實現(xiàn)以往難以企及的拍攝場景?！?/p>

　　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數(shù)量級。

　　在該研究中，研究人員呈現(xiàn)了時間折疊光學(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“飛行時間(ToF)”相機(jī)，用于測量光脈沖從場景反射出并回到傳感器的時間，以估算3D場景的深度。

　　該論文的共同作者還包括：MIT計算機(jī)科學(xué)與人工智能實驗室(MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory)的研究生Matthew Tancik、媒體實驗室相機(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，會改變光信號的形狀，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：光信號并不會直接進(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，傳感器會以特定的時間間隔捕捉一些光線，例如設(shè)定每30納秒抓拍1納秒。

　　本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于：每一次光的“往返行程”都會讓焦點接近透鏡，傳感器依據(jù)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(jī)想要捕捉傳統(tǒng)透鏡的長焦圖像：利用時間折疊光學(xué)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，此后每一次“往返行程”都使焦點與透鏡離得越來越近。最后根據(jù)往返次數(shù)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(jī)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(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)對象就會被準(zhǔn)確聚焦)

　　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，長度大大縮短

　　Heshmat認(rèn)為，這項研究對于設(shè)計更緊湊的望遠(yuǎn)鏡透鏡捕捉來自太空的超快信號，亦或是設(shè)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。