麻省理工時間壓縮光學(xué)超快速相機問世，無限拍攝同場景的不同景深圖像
麻省理工研究人員近日推出一種新型光學(xué)成像技術(shù)。該技術(shù)摒棄傳統(tǒng)的透鏡-折射成像方案，而利用光在光路中的反射時間差成像。該技術(shù)使得相機具有時間或景深敏感性，而傳統(tǒng)光學(xué)相機不可能做到這一點。 &Hb;; Ic(
<QlpIgr
特別地，研究人員基于該技術(shù)推出一款超快速“條紋相機”，只需極短的快門時間就可以成像。超快速相機在高速攝影、無需把書翻開的掃描儀、3D 攝影等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，但目前的超快速相機都依賴于傳統(tǒng)光學(xué)原理，因此存在諸多局限性。例如，必須用折射透鏡組搭建很長的光路。 G234UjN%
IMKyFp]h-
MIT Media Lab 將論文發(fā)表在本周的《自然·光學(xué)》期刊上，并描述了具體的方法：讓光子在相機中來回反射，每次反射，一個超快速傳感器會生成一幅圖像。這樣，可以獲得同一場景的一系列圖像，每幅圖像的生成時間不同，且景深也不同。研究者將這種技術(shù)稱為“時間壓縮光學(xué)”。 \>T+ \?M
Xu4C*]A>
[attachment=85925] ~6HpI0i
圖丨論文第一作者 Barmak Heshmat 表示，時間壓縮光學(xué)技術(shù)的核心思想是用時間來換取空間：相機在不同時刻拍攝到的照片，等效于傳統(tǒng)相機在不同距離對同一場景拍攝到的照片。對這些照片進行處理，將獲得傳統(tǒng)相機無法達成的特性。（來源：Pixabay） yJCqP=
時間壓縮光學(xué)技術(shù)利用一組放置在透鏡和傳感器之間的平行的半反射鏡，在光每次反射時，“壓縮”光所走過的距離。 66P'87G
|Va*=@&6J
作者介紹了基于時間壓縮光學(xué)技術(shù)的 3 種深度敏感成像設(shè)備，這些“渡越時間”相機通過測量光子從場景到傳感器的時間，來估計 3D 場景的深度。 Vq'\`$_
77FI&*q
論文的其他作者包括麻省理工計算機科學(xué)和人工智能實驗室研究生 Matthew Tancik，MIT Media Lab 相機文化研究組博士生 Guy Satat，相機文化研究組負責(zé)人兼媒體藝術(shù)和科學(xué)副教授 Ramesh Raskar。 #H'j;=]:
c>_tV3TDA
將路程壓縮為時間 D5o[z:V7"
\~sc 6ho
論文中提出的系統(tǒng)發(fā)射飛秒（千萬億分之一秒）激光脈沖照射物體。傳統(tǒng)相機利用透鏡組對光進行折射，將光聚焦在傳感器上。但是，光在進入新系統(tǒng)之后，不直接進入傳感器，而是在半反射鏡組中來回反射。每次反射，傳感器都能收到一些光子，這些光子對應(yīng)了已知的時間間隔。 RZ(*%b<C
laR cEXj
[attachment=85924]
PTU _ <\
圖 | 傳感器拍攝 （來源：MIT Media Lab） 7$;#-l
新技術(shù)的關(guān)鍵在于：半反射鏡組在光每次反射時都略微改變反射點，這相當(dāng)于將成像傳感器向著折射透鏡組拉近一點。反射的次數(shù)越多，相當(dāng)于傳感器和折射透鏡組之間的距離越近。 -C]k YQ
aC\ O'K cH
只要將傳感器放置在預(yù)先計算出的焦點上，那么相機就可以拍攝出清晰的最終圖像。盡管光子的最初幾次反射生成的圖像不太清晰，但是之后產(chǎn)生的圖像清晰度會大幅提高。 R&>G6jZ?8
KASuSg+
論文中，研究人員對距離鏡頭 53 厘米處的“MIT”字樣拍攝了照片。對于有 20 厘米焦距透鏡組的傳統(tǒng)相機，透鏡組必須位于距離傳感器 32 厘米的地方。然而，時間壓縮相機讓光反射 5 次，因此透鏡組可以放置在距離傳感器只有 3.1 厘米的地方。 ))/NGa
Heshmat 表示，時間壓縮技術(shù)可以用來制造為天文學(xué)和對地觀測服務(wù)的更加緊湊和輕便的相機。 03ol6y )C
hA6
多色彩，多焦距 :%6OFO$z
q*L>M V
另一個實驗是：相機視場中有“X”和“II”2 個符號，彼此間隔 50 厘米�！癤”距離鏡頭 55 厘米，“II”距離鏡頭 4 厘米。研究人員在反射透鏡組中加入額外的折射透鏡組，讓光在每次反射時，都相當(dāng)于拉近相機和物體的距離。這樣，用激光照射物體之后，相機一次拍攝，就可以獲得 2 個符號的清晰圖像。 BBV"nm_(/
;Y6XX_
[attachment=85926] jGg,)~)Y
圖 | 激光照射物體拍攝效果（來源：MIT Media Lab） ?QDHEC62
此外，研究人員還展示了多色彩（或者稱為多譜）相機。他們設(shè)計了 2 個具備色彩濾鏡功能的反射鏡，1 個距離透鏡組較近，另一個較遠。此外，還設(shè)置了 1 個寬帶反射鏡。然后，相機對“A”和“B”兩個符號成像，且分別用不同顏色的短脈沖激光照射 2 個符號。 fH-fEMyW
Re=()M
當(dāng)光到達相機時，兩種顏色的光分別在 2 個跟傳感器距離不同的反射鏡組中來回反射。根據(jù)事先精確計算出來的每種顏色光的到達時刻，研究人員將 2 幅單色圖像重建為彩色圖像。這種技術(shù)可以用于深度傳感相機——目前該相機還只能記錄紅外線。 zBQV2.@
#x?Ku\ts
[attachment=85927] 86*9GS?U(
麻省理工學(xué)院研究人員表示，時間壓縮相機通過設(shè)計反射鏡組、傳感器和折射鏡組的參數(shù)，可以產(chǎn)生諸多奇妙特性，而傳統(tǒng)相機無法實現(xiàn)這些特性。加州伯克利電子和計算機工程教授和光子學(xué)實驗室主任 Bahram Jalali 認為，新型相機在基于飛秒激光照射的超快速相機中加入了時間維度處理，為成像系統(tǒng)設(shè)計開辟了新的潛在應(yīng)用。比如，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，超快速相機可以應(yīng)用于顯微手術(shù)相機和對組織的深層成像中。（來源：DeepTech深科技） KKB rw+)AJ
|r U?
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41566-018-0234-0
|