哈佛研发出拇指大小偏振光摄像头应用于自动驾驶汽车视觉系统活节螺丝

2020-02-17 06:48

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据外媒报道,1935年,世界上首部采用三色彩色技术制作的电影正式上映。彩色印片法彻底改变了摄像头以及人类对周围世界的看法和体验。但是现在,有一种新的方法能够让人类和摄像头了解偏振光世界。

偏振光就是光振动的方向,人眼无法看见,但是某些品种的虾和昆虫却可以看见,而且其能够提供大量与之交互的物体的信息。目前,能够看到偏振光的摄像头用于检测材料应力,增强对比度以实现物体检测,以及分析材料表面质量,如凹痕或划痕。但是,与早期的彩色相机一样,此类偏振光敏感摄像头体积庞大,而且往往依赖于移动部件,成本高昂,严重限制了其应用范围。

现在,哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences,SEAS)的研究人员研发出一款非常紧凑、便携的摄像头,能够在单张照片中显示偏振光。此类拇指大小的摄像头能够安装在自动驾驶汽车、飞机或卫星的视觉系统中,用以研究大气化学,或者探测伪装物体。

研究人员表示:“此项研究能够改变成像领域的游戏规则。目前,大多数摄像头只能够探测光线的强度和颜色,无法看到偏振,而该款摄像头能够揭示光线如何被周围的世界反射、传播。”

此外,研究人员表示:“偏振是光的一种特征,光在物体表面反射时会发生变化从而产生偏振。基于此种变化,偏振光能够帮助重建物体的3D形状,估计其深度、纹理和形状,以及将人造物体与自然物体区分开来,即使此类物体形状和颜色都相同。”

为了实现此类摄像头,研究人员采用了纳米结构超颖表面,能够与波长范围内的光互动。研究人员表示:“如果我们想要测量光线的全偏振状态,就需要沿着不同的偏振方向拍摄几张照片。以前的设备要么需要使用移动部件,要么要沿着多条路径发射光线以获得多幅照片,从而使得光学设备体积庞大。一种较新的方法是使用具有特殊图案的摄像头像素,但是此种方法无法测量全偏振状态,而且需要采用一种特殊的成像传感器。而在我们的研究中,我们能够将所有所需的光学元件集成至一个拥有超颖表面的简单设备中。”

研究人员利用偏振光如何与物体互动的新知识,设计了一个超颖表面,该表面采用了一组亚波长间隔纳米柱,基于偏振光的偏振方向引导光线。然后,该光线会形成四幅图像,每一幅图像都会展示不同的偏振,将四幅图像合在一起,就能够得到每个像素处光偏振的完整照片。

该设备大约有两厘米长,并不比智能手机的摄像头复杂。该设备附带镜头还有保护套,大约与小型午餐盒的大小差不多。研究人员测试了该摄像头,展示注塑成型塑料物体的缺陷,拿到室外拍摄汽车挡风玻璃上的偏振光,甚至还自拍,演示偏振光摄像头如何将人脸的3D形状展现出来。

研究人员表示:“该技术能够集成至现有的成像系统中,例如集成至手机或者汽车中,从而让偏振成像技术得到广泛应用,并实现新的应用。此外,该研究还为紧凑型摄像头研发指出了新方向,能够在大气科学、遥感、人脸识别、机器视觉等领域实现应用。”

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