“时间折叠光学”为成像产生新的可能性

麻省理工学院研究人员已经开发了新颖的摄影光学，称为“时间折叠光学元件”，其基于镜头内的反射光的定时捕获图像，而不是依赖于光学部件布置的传统方法。本发明为超快时间或深度敏感摄像机开辟了新功能。由研究人员礼貌

麻省理工学院研究人员已经开发了一种新颖的摄影光学器件，该光学学基于光学元件内部反射光的定时捕获图像，而不是依赖于光学部件的布置的传统方法。研究人员说，这些新的原则，对时间或深度敏感摄像机的新功能开放，这是传统摄影光学的新功能。

具体而言，研究人员设计了一个称为条纹摄像头的超快速传感器的新光学器件，其分解了来自轻微的光脉冲的图像。Streak相机和其他超快摄像机已被用于制作每秒万亿帧的视频，扫描封闭书籍，并提供3-D场景的深度图，以及其他应用程序。这种相机依赖于传统光学器件，具有各种设计约束。例如，具有以毫米或厘米测量的给定焦距的透镜必须达到与成像传感器等于或大于焦距的成像传感器以捕获图像。这基本上意味着镜片必须很长。

在本周的自然光子学的一篇文章中，MIT Media Lab研究人员描述了一种技术，使光信号在镜头系统内仔细定位镜子。快速成像传感器在每个反射时间捕获单独的图像。结果是一系列图像 - 每个对应于不同的时间点，以及距镜头的不同距离。可以在其特定时间访问每个图像。研究人员已经创造了这种技术“时间折叠光学。”

“当您有一个快速的传感器相机时，可以通过光学通过光学来解决光线，您可以进行空间的交易时间，”Parmak Heshmat说，纸上的第一个作者。“这是时间折叠的核心概念。… 你在合适的时间看光学，那个时间等于在正确的距离看它。然后，您可以以新的方式排列光学器件，这些方法具有之前无法实现的功能。“

随着更快的框架速率和更光敏的相机传感器的快速发展，为什么同样不是相机镜头也快速发展？MIT Media Lab的Camera Culture Cluther集团的研究人员正在通过新的方式解决该问题，以利用时间和空间来缩小相机镜头，同时添加新功能，例如选择性变焦范围和增强的频谱分辨率。

新的光学架构包括一组半反射平行镜，其每次光反射在镜子之间时减小或“折叠”焦距。通过将镜头和传感器之间的镜子放置在镜头和传感器之间，研究人员在仍然捕获场景的图像的同时将光学布置的距离冷凝。

在他们的研究中，研究人员向超快摄像机和其他深度敏感成像装置的时间折叠光学器件展示了三种用途。这些摄像头也称为“飞行时间”相机，测量光脉冲射击场景并返回传感器所需的时间，以估计3-D场景的深度。

本文的共同作者是Mitthew Tancik，这是麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的研究生; Guy Satat，媒体实验室的相机文化组的博士学生;媒体艺术与科学副教授和相机文化集团总监ramesh Raschar。

将光路折叠为时间

研究人员的系统由一个分量组成，该组件将飞秒（二十六点）激光脉冲投入到场景中以照亮目标对象。传统的摄影光学器件随着弯曲眼镜提供光信号的形状。此形状更改在传感器上创建图像。但是，对于研究人员的光学，而不是向传感器前进，信号首先在精确地布置在镜子之间来回弹跳，以陷阱和反射光。这些反射中的每一个都被称为“往返”。在每次往返时，通过在特定时间间隔中编程到图像的传感器捕获一些光 - 例如，每30纳秒是1纳秒快照。

关键创新是每次往返的光线跳闸移动焦点 - 其中传感器被定位以捕获更靠近镜头的图像。这允许镜头急剧凝结。说出一个连杆摄像机想要捕获具有传统镜头的长焦距的图像。随着时间折叠光学器件，第一个往返将焦点拉到靠近镜头的镜子的一组镜子的焦点，并且每个随后的往返带来焦点更近且更靠近。根据圆形跳闸的数量，然后可以将传感器放置在镜头附近。

通过将传感器放置在精确的焦点，通过总圆形跳闸确定，相机可以捕获尖锐的最终图像，以及光信号的不同阶段，每个都在不同的时间编码，因为信号改变了形状以产生图像。（前几张镜头将是模糊的，但在几次往返之后，目标物体将进入焦点。）

在他们的论文中，研究人员通过通过用“麻省理工学院”雕刻的掩模成像飞秒光脉冲来证明这一点，将53厘米远离镜头孔径。为了捕获图像，传统的20厘米焦距透镜必须距离传感器约32厘米。然而，时间折叠光学器件将图像拉到五次往返之后，只有3.1厘米的镜头传感器距离。

Heshmat说，这可能是有用的，在设计更紧凑的望远镜镜头，从空间捕获，或者用于为卫星设计更小和较轻的镜头来为地面图像的镜头而设计。

多色和多色

研究人员接下来成像两个图案彼此间隔约50厘米，但每个模式在相机的视线范围内。距离镜头的“X”图案为55厘米，距离镜片的“II”图案为4厘米。通过精确地重新排列光学器件 - 部分地，通过将​​镜头放置在两个镜子之间 - 它们以每条往返在单个图像采集中创建新的放大率的方式形成光。通过这种方式，就好像相机随着每次往返缩小。当它们将激光射入场景时，结果是在一次拍摄中创建的两个单独聚焦的图像 - 在第一往返时捕获的X模式，并且在第二轮之旅中捕获的II模式。

然后，研究人员展示了超快多光谱（或多色谱）相机。它们设计了两个颜色反射镜和宽带镜 - 一个调谐以反射一种颜色，设置靠近镜头，并且一个调谐以反射第二种颜色，设置从镜头的较远。它们与“A”和“B”的掩模成像，用A发光的第二种颜色，并且B照射第一颜色，两者都有几十的皮秒。

当光进入照相机时，第一颜色的波长立即在第一腔中来回反射，并且时间由传感器计时。然而，第二种颜色的波长通过第一腔，进入第二个腔，略微将它们延迟到传感器。因为研究人员知道哪个波长将在此时击中传感器，因此它们然后将各自的颜色覆盖到图像上 - 第一波长是第一颜色，第二个是第二颜色。Heshmat说，这可以用于深度感应的摄像头，目前只有记录红外线。

Heshmat说，纸张的一个关键特征是，它是通过调整腔间距或使用不同类型的空腔，传感器和镜头来打开许多不同光学设计的门。“核心消息是，当您有一个快速或具有深度传感器的相机时，您无需以您为旧摄像机的方式设计光学器件。Heshmat说，你可以通过在合适的时间看着它们来完成光学元件。“

这项工作“利用时间维度来实现利用脉冲激光照明的超快相机的新功能。这为设计了成像系统开辟了一种新的方式，“Photonics实验室主任Bahram Jalali说，加州大学伯克利加州大学电气电脑工程教授。“超快成像使得可以通过扩散介质（例如组织）来看，并且这项工作保持了改善医学成像的承诺，特别是用于术中显微镜。”

出版物：Barmak Heshmat等，等，“摄影光学在时间维度，”自然光子，2018