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MIT开发“时间折叠光学元件”开启光学成像新纪元

时间:2021-11-21    来源:ror体育下载    人气:

本文摘要:据麦姆斯咨询报导,麻省理工学院(Massachu-settsInstituteofTechnology,MIT)的研究人员研发出有了新型摄影光学元件,该器件是基于光学元件中光线的光线时间来捕猎图像,替换了倚赖光学元件排序的传统方法。研究人员说道,该新的光学原理为时间/深度照相机关上了传统摄影光学元件无法看清的新世界。明确地谈,MIT研究人员设计了一款新型光学元件,用作取名为“条纹照相机(streakcamera)”的超快传感器,可辨别非同光脉冲图像。

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据麦姆斯咨询报导,麻省理工学院(Massachu-settsInstituteofTechnology,MIT)的研究人员研发出有了新型摄影光学元件,该器件是基于光学元件中光线的光线时间来捕猎图像,替换了倚赖光学元件排序的传统方法。研究人员说道,该新的光学原理为时间/深度照相机关上了传统摄影光学元件无法看清的新世界。明确地谈,MIT研究人员设计了一款新型光学元件,用作取名为“条纹照相机(streakcamera)”的超快传感器,可辨别非同光脉冲图像。

目前,条纹照相机及其他超快照相机已被用作摄制每秒1万亿帧的视频、扫瞄开口的书籍、获取3D场景的深度地图以及其他应用于。由于此类照相机依赖传统光学元件摄制图像,因此不存在着各种各样的设计容许。

例如,对于以毫米或厘米为单位的定焦透镜来说,透镜与光学传感器的距离必需相等或小于等价焦距,才能捕捉到图像,这就意味著镜头必需很长。MIT媒体实验室(MITMediaLab)的研究人员近期在NaturePhotonics上公开发表的论文明确提出了一种新技术,该技术并能光信号在透镜系统内精确定位的镜子之间往返光线。较慢光学传感器可在每次光线时间内捕猎分开的图像,从而光学出有一系列图像:每幅图像皆对应于有所不同的时间点以及与透镜有所不同的距离。同时,每幅图像均可在特定的时间被采访。

MIT研究人员将这种技术称作“时间拉链光学元件(timefoldedoptics)”。该论文第一作者BarmakHeshmat指出:“当你握较慢传感器照相机,来辨别通过光学元件的光时,你就可利用时间互相交换空间。这就是‘时间拉链(timefolding)’的核心思想:你在此时看光,此时光传播的时间就相等你此时与光源的距离。

因此就可以用新方法来排序光学元件,也就能构建以往无法匹敌的摄制场景。”新型光学元件架构还包括了一组半反射式的平行镜子,用作增加或“拉链”每次光线在镜子间光线的焦距。

研究人员通过在透镜与传感器之间摆放一组镜子,可在不影响图像捕猎的前提下,将光学元件的排序距离削减一个数量级。在该研究中,研究人员呈现出了时间拉链光学元件在超快照相机及其他深度感官光学器件的三种方式。这类照相机也被称作“飞行中时间(ToF)”照相机,用作测量光脉冲从场景光线出并返回传感器的时间,以估计3D场景的深度。该论文的联合作者还包括:MIT计算机科学与人工智能实验室(MITComputerScienceandArtificialIntelligenceLaboratory)的研究生MatthewTancik、媒体实验室照相机文化部门(CameraCultureGroup)的博士生GuySatat、媒体艺术与科学副教授及照相机文化部门负责人RameshRaskar。

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原理解析:将光路折算成时间该研究的光学系统的元件可将飞秒激光脉冲(1飞秒=1千万亿分之一秒)感应到场景中并照耀目标物体。传统摄影光学元件光学原理是:当光穿越曲面玻璃时,不会转变光信号的形状,这种形状的转变可在传感器上创立图像。但该研究中光学元件的原理是:光信号并会必要转入传感器,而是再行在镜子间往返光线,借以准确捕猎并反射光线。研究者将其中的每一次光线称作“来往行程(roundtrip)”。

在每次“来往行程”中,传感器不会以特定的时间间隔捕猎一些光线,例如原作每30纳秒抓拍1纳秒。本研究的关键创意在于:每一次光的“来往行程”都会让焦点相似透镜,传感器依据焦点定位来捕猎图像。这样就可大幅度增大透镜尺寸。

比如,条纹照相机想捕猎传统透镜的长焦图像:利用时间拉链光学元件,第一次“来往行程”将焦点定位在与附近透镜的镜子组距离的两倍,此后每一次“来往行程”都使焦点与透镜离得越来越近。最后根据来往次数的有所不同来计算出来距离,因此传感器就可以摆放在离透镜很将近的地方。将传感器摆放在由总“来往行程”确认的准确焦点上,照相机就可捕捉到明晰的图像以及光信号的有所不同阶段,所有图像皆具有有所不同的时间编码,随着信号转变形状来产生图像。

(最初的几张图片将是模糊不清的,但经过几次“来往行程”试探后,目标对象就不会被精确探讨)该论文中,研究人员通过飞秒光脉冲光学镌刻“MIT”的掩模(mask)来证明,掩模距离透镜孔径53厘米。传统20厘米焦距透镜必需在离传感器大约32厘米近的地方才能捕猎图像。

与之比起,时间拉链光学元件在经过五次“来往行程”后就能将图像探讨到焦点上,且与传感器距离仅有3.1厘米。传统镜头改良后的镜头,长度大大缩短Heshmat指出,这项研究对于设计更加灵活的望远镜透镜捕猎来自太空的超快信号,亦或是设计尺寸更加小且重量轻巧的透镜摄制地球表面,都是十分简单的。

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多变焦且色彩非常丰富接下来,研究人员尝试对“X”和“II”两种图案展开光学。两图案间隔大约为50厘米,且皆在照相机视线范围内。“X”图案距透镜55厘米,而“II”图案距透镜只4厘米。通过准确地重新排列光学元件(如将透镜置放两镜子之间),使每次“来往行程”都在单次图像收集中缩放了光线,就构建了整形光线。

这就样子照相机在每次来往中都能变焦。当他们把激光升空入场景时,仅有按一次对焦,就可获得两幅独立国家且探讨的图像(在第一次“来往”中捕猎X的图像,在第二次“来往”中捕猎II图像)。

然后,研究人员展出了超快多光谱(或多色)照相机。他们设计了两种颜色反射镜和一种宽带镜:一种颜色反射镜是通过光线颜色,以更加相似透镜;另一种颜色反射镜则是通过光线第二种颜色,以从透镜后脚进。

利用此类照相机光学具有“A”和“B”的掩模找到,第二种颜色照耀A,而第一种颜色照耀了B,时间皆为十分之几皮秒。这是由于当光线转入照相机时,第一种颜色的波长不会立刻在第一个腔内往返光线,由传感器记录其时间。然而,第二种颜色的波长不会穿越第一个腔转入第二个腔,这就不会使它们抵达传感器时间的稍微延后。

由于研究人员理解有所不同颜色波长到达传感器的时间,他们就可将适当的颜色变换到图像上(如第一个波长是第一种颜色,第二个是第二种颜色)。Heshmat说道,这些对于目前不能记录红外光的深度传感照相机来说大有用处。Heshmat指出,该论文的关键贡献在于:它可以通过调整空腔间距或用于有所不同类型的空腔、传感器及透镜,来为多种光学元件设计关上大门。Heshmat说道:“核心信息就是,当你握较慢照相机或者深度传感器时,你就不必像传统相机那样必须设计光学元件。

你可以通过在合理时间光学来构建更好的摄制有可能。”光子学实验室主任、加州大学伯克利分校电子与计算机工程教授BahramJalali说道:“这项工作研发了时间维度,使得利用脉冲激光照明的超快照相机构建了新功能。这为设计光学系统修筑了一条新的道路。超快光学技术使得利用如的组织等衍射介质光学沦为有可能,这一工作未来将会提高医学光学,尤其是手术显微镜。


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