科学家们利用超表面开发了一种紧凑、单镜头、完整的偏振成像系统。

想想我们得到的所有信息，都是基于物体与光的波长（也就是颜色）的相互作用。颜色可以告诉我们食物是否安全，或者一块金属是否热。在医学上，颜色是一种重要的诊断工具，可以帮助医生诊断病变组织、炎症或血流问题。

很多公司已经投入大量资金来改善数字成像的色彩，但波长只是光的一个属性。偏振 —— 当光传播时电场如何振荡 —— 也有丰富的信息，但偏振成像仍然主要局限于桌面实验室设置，依赖于传统的光学设备，如笨重的旋转支架上的波片和偏振器。

紧凑偏振成像的突破

现在，哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发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。通过仅使用两个薄的超表面，成像系统可以释放偏振成像的巨大潜力，用于一系列现有和新的应用，包括生物医学成像、增强和虚拟现实系统以及智能手机。

这项研究发表在《自然光子学》杂志上。

Robert L. Wallace应用物理学教授、SEA电气工程高级研究员费德里科·卡帕索（Federico Capasso）表示：“该系统没有任何移动部件或大块偏振光学器件，将在实时医学成像、材料表征、机器视觉、目标检测和其他重要领域得到应用。”

在之前的研究中，卡帕索和他的团队开发了一种新型紧凑型偏振相机，可以在不控制入射照明的情况下捕捉所谓的斯托克斯图像，即物体反射的偏振特征图像。

主动偏振成像

“就像物体的阴影甚至颜色会根据入射照明的颜色而有所不同一样，物体的偏振特征取决于照明的偏振轮廓，”奥恩·扎伊迪（Aun Zaidi）说，他是卡帕索小组最近的博士毕业生，也是这篇论文的第一作者。“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捉物体最完整的偏振响应。”

目前，穆勒矩阵成像需要一个复杂的光学装置，有多个旋转板和偏振光片，依次捕获一系列图像，再将这些图像组合在一起以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了两个极薄的超表面：一个用来照亮物体，另一个用来捕捉和分析另一侧的光。

第一个超表面产生所谓的偏振结构光，其中偏振被设计成以独特的模式在空间上变化。当这种偏振光被反射或透过被照射的物体时，光束的偏振轮廓就会发生变化。这种变化被第二个超表面捕捉和分析，以构建最终的图像 —— 在一个单一的镜头。

该技术可以实现实时高级成像，这对于内窥镜手术、智能手机面部识别和AR/VR系统中的眼动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，应用于医学诊断、材料分类和制药领域。

奥恩·扎伊迪表示：“我们将两个看似独立的结构光和偏振成像领域结合在一起，设计了一个单一的系统，可以捕获最完整的偏振信息。我们使用纳米工程的超表面，取代了传统系统中需要的许多组件，极大地简化了它的设计。”

卡帕索说：“我们的单镜头紧凑型系统，为这种类型成像的广泛采用提供了一条可行的途径，为需要高级成像的应用提供了支持。”

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