物體散射光的偏振提供了一個信息寶庫。然而，對這種偏振進行成像的技術(shù)經(jīng)常被忽視，因為其很難在實驗室環(huán)境之外實施。美國哈佛大學的研究人員通過開發(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)解決了這個問題。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)中的許多光學元件，研究人員表示，它可能會被應用于增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、人臉識別、生物醫(yī)學成像和基礎(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)無法獲得的信息。然而，在實踐中很難實現(xiàn)，因為它需要復雜的設(shè)備，使用多個旋轉(zhuǎn)板和偏振器來捕獲一系列圖像，然后將這些圖像組合起來產(chǎn)生矩陣。

在不同的光線下觀察甲蟲：（A）金龜子甲蟲對圓偏振光表現(xiàn)出獨特的反應，當右圓偏振光（RCP）和左圓偏振光（LCP）照射下，利用標準數(shù)碼相機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)由哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（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)簡單得多。新系統(tǒng)的核心是兩個超構(gòu)表面——由微小介電結(jié)構(gòu)陣列制成的人工設(shè)計的超薄光學元件。這些結(jié)構(gòu)的行為有點像原子，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。

當光穿過兩個超構(gòu)表面時，光的性質(zhì)（例如振幅、相位和偏振）會發(fā)生變化?！暗谝粋€超構(gòu)表面產(chǎn)生偏振結(jié)構(gòu)光，其中的偏振被設(shè)計成以獨特的模式在空間上變化。”Aun Zaidi解釋道，他曾是Capasso實驗室的博士生，現(xiàn)在是蘋果公司的光學科學家和工程師?！爱斶@種偏振光反射或透過被照明的物體時，輪廓光束的偏振會發(fā)生變化。這種變化被第二個超構(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。”

Aun Zaidi補充道：“納米工程超構(gòu)表面極大地簡化了偏振成像系統(tǒng)的設(shè)計。事實上，該系統(tǒng)沒有任何移動部件或體偏振光學元件，可用于實時醫(yī)學成像、材料表征、機器視覺和目標檢測等領(lǐng)域。我們的緊湊型系統(tǒng)甚至可能會釋放偏振成像在一系列現(xiàn)有和新興應用中的巨大潛力，包括增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，以及智能手機中的人臉識別和眼球追蹤?！?/p>

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，該研究團隊在Nature Photonics期刊上描述的新技術(shù)可能會在需要緊湊型和單次曝光偏振成像的應用中被證明是有用的。Aun Zaidi說道：“在生物醫(yī)學中，這些應用包括在顯微鏡下對活組織樣本進行成像、偏振內(nèi)窺鏡成像、視網(wǎng)膜掃描以及癌性腫瘤的無創(chuàng)或微創(chuàng)成像?！?/p>

Aun Zaidi補充道，“由于其卓越的時間分辨率和靈活性，該技術(shù)還可以用于生成大型數(shù)據(jù)集，用于在機器學習分類應用中訓練神經(jīng)網(wǎng)絡。除此之外，它對于基礎(chǔ)科學也可能很重要，例如在強電場和磁場存在的情況下檢測真空的時變雙折射（如量子電動力學理論），以研究光的三維偏振態(tài)，以及短波長（X射線）和長波長（太赫茲）偏振測量的研究。我們計劃將研究工作擴展到這些令人興奮的新方向?！?/p>

審核編輯：劉清