MIT“时间压缩光学”超快速相机问世，无限制拍摄同一场景的不同景深图像

 

麻省理工研究人员近日推出一种新型光学成像技术。该技术摒弃传统的透镜-折射成像方案，而利用光在光路中的反射时间差成像。该技术使得相机具有时间或景深敏感性，而传统光学相机不可能做到这一点。

 

特别地，研究人员基于该技术推出一款超快速“条纹相机”，只需极短的快门时间就可以成像。超快速相机在高速摄影、无需把书翻开的扫描仪、3D 摄影等领域获得应用，但目前的超快速相机都依赖于传统光学原理，因此存在诸多局限性。例如，必须用折射透镜组搭建很长的光路。

 

MIT Media Lab 将论文发表在本周的《自然·光学》期刊上，并描述了具体的方法：让光子在相机中来回反射，每次反射，一个超快速传感器会生成一幅图像。这样，可以获得同一场景的一系列图像，每幅图像的生成时间不同，且景深也不同。研究者将这种技术称为“时间压缩光学”。 

图丨论文第一作者 Barmak Heshmat 表示，时间压缩光学技术的核心思想是用时间来换取空间：相机在不同时刻拍摄到的照片，等效于传统相机在不同距离对同一场景拍摄到的照片。对这些照片进行处理，将获得传统相机无法达成的特性。（来源：Pixabay） 

 

时间压缩光学技术利用一组放置在透镜和传感器之间的平行的半反射镜，在光每次反射时，“压缩”光所走过的距离。

 

作者介绍了基于时间压缩光学技术的 3 种深度敏感成像设备，这些“渡越时间”相机通过测量光子从场景到传感器的时间，来估计 3D 场景的深度。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41566-018-0234-0

论文的其他作者包括麻省理工计算机科学和人工智能实验室研究生 Matthew Tancik，MIT Media Lab 相机文化研究组博士生 Guy Satat，相机文化研究组负责人兼媒体艺术和科学副教授 Ramesh Raskar。

 

将路程压缩为时间

 

论文中提出的系统发射飞秒（千万亿分之一秒）激光脉冲照射物体。传统相机利用透镜组对光进行折射，将光聚焦在传感器上。但是，光在进入新系统之后，不直接进入传感器，而是在半反射镜组中来回反射。每次反射，传感器都能收到一些光子，这些光子对应了已知的时间间隔。

 

图 | 传感器拍摄 （来源：MIT Media Lab）

新技术的关键在于：半反射镜组在光每次反射时都略微改变反射点，这相当于将成像传感器向着折射透镜组拉近一点。反射的次数越多，相当于传感器和折射透镜组之间的距离越近。

 

只要将传感器放置在预先计算出的焦点上，那么相机就可以拍摄出清晰的最终图像。尽管光子的最初几次反射生成的图像不太清晰，但是之后产生的图像清晰度会大幅提高。

 

论文中，研究人员对距离镜头 53 厘米处的“MIT”字样拍摄了照片。对于有 20 厘米焦距透镜组的传统相机，透镜组必须位于距离传感器 32 厘米的地方。然而，时间压缩相机让光反射 5 次，因此透镜组可以放置在距离传感器只有 3.1 厘米的地方。

 

Heshmat 表示，时间压缩技术可以用来制造为天文学和对地观测服务的更加紧凑和轻便的相机。

 

多色彩，多焦距 

另一个实验是：相机视场中有“X”和“II”2 个符号，彼此间隔 50 厘米。“X”距离镜头 55 厘米，“II”距离镜头 4 厘米。研究人员在反射透镜组中加入额外的折射透镜组，让光在每次反射时，都相当于拉近相机和物体的距离。这样，用激光照射物体之后，相机一次拍摄，就可以获得 2 个符号的清晰图像。

 

图 | 激光照射物体拍摄效果（来源：MIT Media Lab）

此外，研究人员还展示了多色彩（或者称为多谱）相机。他们设计了 2 个具备色彩滤镜功能的反射镜，1 个距离透镜组较近，另一个较远。此外，还设置了 1 个宽带反射镜。然后，相机对“A”和“B”两个符号成像，且分别用不同颜色的短脉冲激光照射 2 个符号。

 

当光到达相机时，两种颜色的光分别在 2 个跟传感器距离不同的反射镜组中来回反射。根据事先精确计算出来的每种颜色光的到达时刻，研究人员将 2 幅单色图像重建为彩色图像。这种技术可以用于深度传感相机——目前该相机还只能记录红外线。

 

麻省理工学院研究人员表示，时间压缩相机通过设计反射镜组、传感器和折射镜组的参数，可以产生诸多奇妙特性，而传统相机无法实现这些特性。加州伯克利电子和计算机工程教授和光子学实验室主任 Bahram Jalali 认为，新型相机在基于飞秒激光照射的超快速相机中加入了时间维度处理，为成像系统设计开辟了新的潜在应用。比如，在医学成像领域，超快速相机可以应用于显微手术相机和对组织的深层成像中。

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编译：离子心   校审：XHR

参考：http://news.mit.edu/2018/novel-optics-ultrafast-cameras-create-new-possibilities-imaging-0813

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