MIT研究人員開(kāi)發(fā)出新型攝影光學(xué)元件

　　據麥姆斯咨詢(xún)報道，麻省理工學(xué)院(Massachu-setts Institute of Technology，MIT)的研究人員開(kāi)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(xiàn)的反射時(shí)間來(lái)捕捉圖像，代替了依賴(lài)光學(xué)元件排列的傳統方法。研究人員說(shuō)，該新成像原理為時(shí)間/深度相機打開(kāi)了傳統攝影光學(xué)元件無(wú)法觸及的新世界。

　　具體地講，MIT研究人員設計了一款新型光學(xué)元件，用于名為“條紋相機(streak camera)”的超快傳感器，可分辨超短光脈沖圖像。目前，條紋相機及其他超快相機已被用于拍攝每秒1萬(wàn)億幀的視頻、掃描閉合的書(shū)籍、提供3D場(chǎng)景的深度地圖以及其他應用。由于此類(lèi)相機依靠傳統光學(xué)元件拍攝圖像，因此存在著(zhù)各種各樣的設計限制。例如，對于以毫米或厘米為單位的定焦透鏡來(lái)說(shuō)，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(zhù)鏡頭必須很長(cháng)。

　　MIT媒體實(shí)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內精確定位的鏡子之間來(lái)回反射?？焖俪上駛鞲衅骺稍诿看畏瓷鋾r(shí)間內捕捉單獨的圖像，從而成像出一系列圖像：每幅圖像均對應于不同的時(shí)間點(diǎn)以及與透鏡不同的距離。同時(shí)，每幅圖像均可在特定的時(shí)間被訪(fǎng)問(wèn)。MIT研究人員將這種技術(shù)稱(chēng)為“時(shí)間折疊光學(xué)元件(time folded optics)”。

　　該論文第一作者Barmak Heshmat認為：“當你手握快速傳感器相機，來(lái)分辨通過(guò)光學(xué)元件的光時(shí)，你就可利用時(shí)間交換空間。這就是‘時(shí)間折疊(time folding)’的核心思想：你在此時(shí)看光，此時(shí)光傳播的時(shí)間就等于你此時(shí)與光源的距離。因此就可以用新方法來(lái)排列光學(xué)元件，也就能實(shí)現以往難以企及的拍攝場(chǎng)景?！?/p>

　　新型光學(xué)元件架構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(xiàn)在鏡子間反射的焦距。研究人員通過(guò)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(gè)數量級。

　　在該研究中，研究人員呈現了時(shí)間折疊光學(xué)元件在超快相機及其他深度感知成像器件的三種方式。這類(lèi)相機也被稱(chēng)為“飛行時(shí)間(ToF)”相機，用于測量光脈沖從場(chǎng)景反射出并回到傳感器的時(shí)間，以估算3D場(chǎng)景的深度。

　　該論文的共同作者還包括：MIT計算機科學(xué)與人工智能實(shí)驗室(MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory)的研究生Matthew Tancik、媒體實(shí)驗室相機文化部門(mén)(Camera Culture Group)的博士生Guy Satat、媒體藝術(shù)與科學(xué)副教授及相機文化部門(mén)負責人Ramesh Raskar。

　　原理解析：將光路換算成時(shí)間

　　該研究的光學(xué)系統的元件可將飛秒激光脈沖(1飛秒 = 1千萬(wàn)億分之一秒)投射到場(chǎng)景中并照亮目標物體。傳統攝影光學(xué)元件成像原理是：當光穿過(guò)曲面玻璃時(shí)，會(huì )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(huì )直接進(jìn)入傳感器，而是先在鏡子間來(lái)回反射，用以精確捕捉并反射光線(xiàn)。研究者將其中的每一次反射稱(chēng)為“往返行程(round trip)”。在每次“往返行程”中，傳感器會(huì )以特定的時(shí)間間隔捕捉一些光線(xiàn)，例如設定每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(huì )讓焦點(diǎn)接近透鏡，傳感器依據焦點(diǎn)定位來(lái)捕捉圖像。這樣就可大幅縮小透鏡尺寸。比如，條紋相機想要捕捉傳統透鏡的長(cháng)焦圖像：利用時(shí)間折疊光學(xué)元件，第一次“往返行程”將焦點(diǎn)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(diǎn)與透鏡離得越來(lái)越近。最后根據往返次數的不同來(lái)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(diǎn)上，相機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(shí)間編碼，隨著(zhù)信號改變形狀來(lái)產(chǎn)生圖像。(最初的幾張圖片將是模糊的，但經(jīng)過(guò)幾次“往返行程”試探后，目標對象就會(huì )被準確聚焦)

　　該論文中，研究人員通過(guò)飛秒光脈沖成像刻有“MIT”的掩模(mask)來(lái)證明，掩模距離透鏡孔徑53厘米。傳統20厘米焦距透鏡必須在離傳感器約32厘米遠的地方才能捕捉圖像。與之相比，時(shí)間折疊光學(xué)元件在經(jīng)過(guò)五次“往返行程”后就能將圖像聚焦到焦點(diǎn)上，且與傳感器距離僅3.1厘米。

　　傳統鏡頭

　　改進(jìn)后的鏡頭，長(cháng)度大大縮短

　　Heshmat認為，這項研究對于設計更緊湊的望遠鏡透鏡捕捉來(lái)自太空的超快信號，亦或是設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。