哈佛大学的研究人员创新性地开发了一种紧凑型、单次拍摄的偏振成像系统，该系统简化了传统的设置，并扩展了在医疗、增强现实（AR）和智能手机技术中的应用，增强了实时和集成机器学习成像能力。
我们根据物体与光波长的相互作用——也就是颜色——获得的信息是巨大的。颜色可以告诉我们食物是否安全食用，或者一块金属是否热。在医学中，颜色是一个重要的诊断工具，帮助从业者诊断病变组织、炎症或血流问题。
尽管公司已经在改善数字成像的颜色方面投入了大量资金，但光的波长只是一个属性。偏振——光传播时电场的振荡方式——也充满了信息，但偏振成像大多仍局限于实验室设置，依赖于传统的光学元件，如波片和偏振器，这些通常安装在笨重的旋转支架上。
现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发了一种紧凑型、单次拍摄的偏振成像系统，可以提供完整的偏振图像。通过仅使用两个薄薄的超表面，该成像系统可以解锁偏振成像在一系列现有和新应用中的潜力，包括生物医学成像、增强和虚拟现实系统以及智能手机。
该研究发表在《自然光子学》杂志上。该系统没有移动部件或笨重的偏振光学元件，将有助于实时医学成像、材料表征、机器视觉、目标检测等重要领域的应用。
在之前的研究中，Capasso和他的团队开发了一种首创的紧凑型偏振相机，用于捕获所谓的斯托克斯图像，即物体反射的偏振特征图像——而无需控制入射照明。
“与常规偏振成像相比，‘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获物体最完整的偏振响应，”论文的第一作者、Capasso团队的最近博士毕业生Aun Zaidi说。“目前，穆勒矩阵成像需要一个复杂的光学设置，包括多个旋转板和偏振器，顺序捕获一系列图像，这些图像结合起来形成图像的矩阵表示。”
Capasso和他的团队开发的简化系统使用两个极薄的超表面——一个用于照亮物体，另一个用于捕获和分析另一侧的光。第一个超表面产生所谓的偏振结构光，其中偏振被设计为以独特的模式在空间上变化。当这种偏振光反射或透射过被照亮的物体时，光束的偏振轮廓会发生变化。这种变化被第二个超表面捕获和分析，以构建最终图像——一次性完成。
该技术允许实时高级成像，这对于内窥镜手术、智能手机面部识别和AR/VR系统中的眼动跟踪等应用很重要。它还可以与强大的机器学习算法结合使用，用于医学诊断、材料分类和制药等领域的应用。
“我们汇集了结构光和偏振成像这两个看似独立的领域，设计了一个单一的系统，可以捕获最完整的偏振信息。我们使用纳米工程超表面，这取代了在这样的系统中传统上所需的许多组件，大大简化了其设计，”Zaidi说。
“我们的单次拍摄和紧凑型系统为这种成像技术的广泛采用提供了一条可行的路径，以增强需要高级成像的应用程序，”Capasso说。
这项研究由Noah Rubin、Maryna Meretska、Lisa Li、Ahmed Dorrah和Joon-Suh Park共同撰写。它得到了空军科学研究办公室、海军研究办公室（ONR）、国家航空航天局（NASA）和国家科学基金会的支持。
这项研究不仅展示了偏振成像技术在多个领域的应用潜力，而且强调了哈佛在推动这一领域创新方面的领导作用。那么，您如何看待这种新型成像技术对未来医疗和科技产业的影响？您认为它将如何改变我们的诊断、识别和追踪技术？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨这一激动人心的技术进步。
参考资料：DOI： 10.1038/s41566-024-01426-x
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