物體散射光的偏振提供了一個(gè)信息寶庫(kù)。然而，對(duì)這種偏振進(jìn)行成像的技術(shù)經(jīng)常被忽視，因?yàn)槠浜茈y在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外實(shí)施。美國(guó)哈佛大學(xué)的研究人員通過(guò)開發(fā)一種基于Mueller矩陣成像技術(shù)的緊湊型單次曝光（single-shot）偏振成像系統(tǒng)解決了這個(gè)問(wèn)題。新系統(tǒng)采用納米工程超構(gòu)表面（metasurfaces）取代了傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)中的許多光學(xué)元件，研究人員表示，它可能會(huì)被應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)、人臉識(shí)別、生物醫(yī)學(xué)成像和基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域。

物體的顏色，即散射光的頻率，通常取決于入射到物體上的光的顏色。同樣地，散射光的偏振也取決于照射到物體上的光的偏振。Mueller矩陣成像的工作原理是控制入射光的偏振，它是目前最完整的偏振成像方法，揭示了使用傳統(tǒng)的技術(shù)無(wú)法獲得的信息。然而，在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰獜?fù)雜的設(shè)備，使用多個(gè)旋轉(zhuǎn)板和偏振器來(lái)捕獲一系列圖像，然后將這些圖像組合起來(lái)產(chǎn)生矩陣。

在不同的光線下觀察甲蟲：（A）金龜子甲蟲對(duì)圓偏振光表現(xiàn)出獨(dú)特的反應(yīng)，當(dāng)右圓偏振光（RCP）和左圓偏振光（LCP）照射下，利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼相機(jī)拍攝的甲蟲外殼圖像。（B）使用本研究中開發(fā)的Mueller矩陣成像系統(tǒng)拍攝的手性甲蟲的原始圖像，顯示了外殼的大小和形狀及其特征線等空間分辨特征。

新型單次曝光偏振成像系統(tǒng)由哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）電氣工程系的Federico Capasso及其同事開發(fā)，要比傳統(tǒng)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多。新系統(tǒng)的核心是兩個(gè)超構(gòu)表面——由微小介電結(jié)構(gòu)陣列制成的人工設(shè)計(jì)的超薄光學(xué)元件。這些結(jié)構(gòu)的行為有點(diǎn)像原子，被稱為“超構(gòu)原子（meta-atoms）”，彼此之間的距離小于入射光的波長(zhǎng)。

當(dāng)光穿過(guò)兩個(gè)超構(gòu)表面時(shí)，光的性質(zhì)（例如振幅、相位和偏振）會(huì)發(fā)生變化。“第一個(gè)超構(gòu)表面產(chǎn)生偏振結(jié)構(gòu)光，其中的偏振被設(shè)計(jì)成以獨(dú)特的模式在空間上變化?！盇un Zaidi解釋道，他曾是Capasso實(shí)驗(yàn)室的博士生，現(xiàn)在是蘋果公司的光學(xué)科學(xué)家和工程師?！爱?dāng)這種偏振光反射或透過(guò)被照明的物體時(shí)，輪廓光束的偏振會(huì)發(fā)生變化。這種變化被第二個(gè)超構(gòu)表面捕獲并分析，從而在一次曝光拍攝中構(gòu)建最終圖像?！?/p>

Aun Zaidi補(bǔ)充道：“納米工程超構(gòu)表面極大地簡(jiǎn)化了偏振成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，該系統(tǒng)沒有任何移動(dòng)部件或體偏振光學(xué)元件，可用于實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)成像、材料表征、機(jī)器視覺和目標(biāo)檢測(cè)等領(lǐng)域。我們的緊湊型系統(tǒng)甚至可能會(huì)釋放偏振成像在一系列現(xiàn)有和新興應(yīng)用中的巨大潛力，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以及智能手機(jī)中的人臉識(shí)別和眼球追蹤?！?/p>

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，該研究團(tuán)隊(duì)在Nature Photonics期刊上描述的新技術(shù)可能會(huì)在需要緊湊型和單次曝光偏振成像的應(yīng)用中被證明是有用的。Aun Zaidi說(shuō)道：“在生物醫(yī)學(xué)中，這些應(yīng)用包括在顯微鏡下對(duì)活組織樣本進(jìn)行成像、偏振內(nèi)窺鏡成像、視網(wǎng)膜掃描以及癌性腫瘤的無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)成像?！?/p>

Aun Zaidi補(bǔ)充道，“由于其卓越的時(shí)間分辨率和靈活性，該技術(shù)還可以用于生成大型數(shù)據(jù)集，用于在機(jī)器學(xué)習(xí)分類應(yīng)用中訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。除此之外，它對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)也可能很重要，例如在強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)存在的情況下檢測(cè)真空的時(shí)變雙折射（如量子電動(dòng)力學(xué)理論），以研究光的三維偏振態(tài)，以及短波長(zhǎng)（X射線）和長(zhǎng)波長(zhǎng)（太赫茲）偏振測(cè)量的研究。我們計(jì)劃將研究工作擴(kuò)展到這些令人興奮的新方向?！?/p>

審核編輯：劉清