研究人员推出使用超表面的单次完整偏振成像系统

想想我们根据物体如何与光波长(又称颜色)相互作用而获得的所有信息。颜色可以告诉我们食物是否可以安全食用或者一块金属是否很热。颜色是医学中重要的诊断工具，可以帮助医生诊断患病组织、炎症或血流问题。

公司投入巨资来改善数字成像的色彩，但波长只是光的一种属性。偏振(光传播时电场如何振荡)也包含丰富的信息，但偏振成像仍然主要局限于桌面实验室设置，依赖于笨重的旋转安装座上的波片和偏振器等传统光学器件。

现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发出了一种紧凑的单次偏振成像系统，可以提供完整的偏振图像。

通过仅使用两个薄超表面，成像系统可以释放偏振成像在一系列现有和新应用中的巨大潜力，包括生物医学成像、增强和虚拟现实系统以及智能手机。该研究发表在《自然光子学》上。

RobertL.Wallace的FedericoCapasso表示：“该系统没有任何移动部件或体偏振光学器件，将增强实时医学成像、材料表征、机器视觉、目标检测和其他重要领域的应用。”SEAS应用物理学教授、VintonHayes电气工程高级研究员、该论文的高级作者。

在之前的研究中，卡帕索和他的团队开发了一款首款紧凑型偏振相机，用于捕捉所谓的斯托克斯图像，即物体反射的偏振特征图像，而无需控制入射照明。

“正如物体的阴影甚至颜色会根据入射照明的颜色而显得不同一样，物体的偏振特征也取决于照明的偏振轮廓，”最近获得博士学位的AunZaidi说。毕业于Capasso课题组，论文第一作者。

“与传统的偏振成像相比，‘主动’偏振成像，即穆勒矩阵成像，可以通过控制入射偏振来捕获物体最完整的偏振响应。”

目前，穆勒矩阵成像需要具有多个旋转板和偏振器的复杂光学装置，这些旋转板和偏振器顺序捕获一系列图像，这些图像组合起来实现图像的矩阵表示。

卡帕索和他的团队开发的简化系统使用两个极薄的超表面，一个用于照亮物体，另一个用于捕获和分析另一侧的光。

第一个超表面产生所谓的偏振结构光，其中偏振被设计为以独特的模式在空间上变化。当该偏振光反射或透射被照明物体时，光束的偏振轮廓会发生变化。第二个超表面捕捉并分析这种变化，从而在一次拍摄中构建最终图像。

该技术可实现实时高级成像，这对于内窥镜手术、智能手机中的面部识别以及AR/VR系统中的眼球追踪等应用非常重要。它还可以与强大的机器学习算法相结合，用于医疗诊断、材料分类和制药领域的应用。

“我们将结构光和偏振成像这两个看似独立的领域结合在一起，设计出一个能够捕获最完整偏振信息的单一系统。

“我们使用纳米工程超表面取代了此类系统传统上所需的许多组件，大大简化了其设计，”扎伊迪说。

卡帕索表示：“我们的单次紧凑型系统为这种类型成像的广泛采用提供了一条可行的途径，以支持需要高级成像的应用。”