據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學(xué)院（Massachu-setts Institute of Technology，MIT）的研究人員開發(fā)出了新型攝影光學(xué)元件，該器件是基于光學(xué)元件中光線的反射時間來捕捉圖像，代替了依賴光學(xué)元件排列的傳統(tǒng)方法。研究人員說，該新成像原理為時間/深度相機打開了傳統(tǒng)攝影光學(xué)元件無法觸及的新世界。具體地講，MIT研究人員設(shè)計了一款新型光學(xué)元件，用于名為“條紋相機（streak camera）”的超快傳感器，可分辨超短光脈沖圖像。

目前，條紋相機及其他超快相機已被用于拍攝每秒1萬億幀的視頻、掃描閉合的書籍、提供3D場景的深度地圖以及其他應(yīng)用。由于此類相機依靠傳統(tǒng)光學(xué)元件拍攝圖像，因此存在著各種各樣的設(shè)計限制。例如，對于以毫米或厘米為單位的定焦透鏡來說，透鏡與成像傳感器的距離必須等于或大于給定焦距，才能捕捉到圖像，這就意味著鏡頭必須很長。

MIT媒體實驗室（MIT Media Lab）的研究人員近期發(fā)表的論文提出了一種新技術(shù)，該技術(shù)可讓光信號在透鏡系統(tǒng)內(nèi)精確定位的鏡子之間來回反射?？焖俪上駛鞲衅骺稍诿看畏瓷鋾r間內(nèi)捕捉單獨的圖像，從而成像出一系列圖像：每幅圖像均對應(yīng)于不同的時間點以及與透鏡不同的距離。同時，每幅圖像均可在特定的時間被訪問。MIT研究人員將這種技術(shù)稱為“時間折疊光學(xué)元件（time folded optics）”。該論文第一作者Barmak Heshmat認為：“當你手握快速傳感器相機，來分辨通過光學(xué)元件的光時，你就可利用時間交換空間。這就是‘時間折疊（time folding）’的核心思想：你在此時看光，此時光傳播的時間就等于你此時與光源的距離。因此就可以用新方法來排列光學(xué)元件，也就能實現(xiàn)以往難以企及的拍攝場景。

”新型光學(xué)元件架構(gòu)包括了一組半反射式的平行鏡子，用于減少或“折疊”每次光線在鏡子間反射的焦距。研究人員通過在透鏡與傳感器之間放置一組鏡子，可在不影響圖像捕捉的前提下，將光學(xué)元件的排列距離縮減一個數(shù)量級。在該研究中，研究人員呈現(xiàn)了時間折疊光學(xué)元件在超快相機及其他深度感知成像器件的三種方式。這類相機也被稱為“飛行時間（ToF）”相機，用于測量光脈沖從場景反射出并回到傳感器的時間，以估算3D場景的深度。該論文的共同作者還包括：MIT計算機科學(xué)與人工智能實驗室（MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory）的研究生Matthew Tancik、媒體實驗室相機文化部門（Camera Culture Group）的博士生Guy Satat、媒體藝術(shù)與科學(xué)副教授及相機文化部門負責人Ramesh Raskar。

原理解析：將光路換算成時間該研究的光學(xué)系統(tǒng)的元件可將飛秒激光脈沖（1飛秒 = 1千萬億分之一秒）投射到場景中并照亮目標物體。傳統(tǒng)攝影光學(xué)元件成像原理是：當光穿過曲面玻璃時，會改變光信號的形狀，這種形狀的改變可在傳感器上創(chuàng)建圖像。但該研究中光學(xué)元件的原理是：光信號并不會直接進入傳感器，而是先在鏡子間來回反射，用以精確捕捉并反射光線。研究者將其中的每一次反射稱為“往返行程（round trip）”。在每次“往返行程”中，傳感器會以特定的時間間隔捕捉一些光線，例如設(shè)定每30納秒抓拍1納秒。

光信號兩鏡子間“往返行程”示意圖本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于：每一次光的“往返行程”都會讓焦點接近透鏡，傳感器依據(jù)焦點定位來捕捉圖像。這樣就可大幅縮小透鏡尺寸。比如，條紋相機想要捕捉傳統(tǒng)透鏡的長焦圖像：利用時間折疊光學(xué)元件，第一次“往返行程”將焦點定位在與靠近透鏡的鏡子組距離的兩倍，此后每一次“往返行程”都使焦點與透鏡離得越來越近。最后根據(jù)往返次數(shù)的不同來計算距離，因此傳感器就可以放置在離透鏡很近的地方。將傳感器放置在由總“往返行程”確定的精確焦點上，相機就可捕捉到清晰的圖像以及光信號的不同階段，所有圖像均帶有不同的時間編碼，隨著信號改變形狀來產(chǎn)生圖像。（最初的幾張圖片將是模糊的，但經(jīng)過幾次“往返行程”試探后，目標對象就會被準確聚焦。）

依據(jù)“光往返”次數(shù)計算距離，可縮減傳感器與透鏡的距離該論文中，研究人員通過飛秒光脈沖成像刻有“MIT”的掩模（mask）來證明，掩模距離透鏡孔徑53厘米。傳統(tǒng)20厘米焦距透鏡必須在離傳感器約32厘米遠的地方才能捕捉圖像。與之相比，時間折疊光學(xué)元件在經(jīng)過五次“往返行程”后就能將圖像聚焦到焦點上，且與傳感器距離僅3.1厘米。

傳統(tǒng)鏡頭

改進后的鏡頭，長度大大縮短Heshmat認為，這項研究對于設(shè)計更緊湊的望遠鏡透鏡捕捉來自太空的超快信號，亦或是設(shè)計尺寸更小且重量更輕的透鏡拍攝地球表面，都是非常有用的。多變焦且色彩豐富接下來，研究人員嘗試對“X”和“II”兩種圖案進行成像。兩圖案間隔約為50厘米，且均在相機視線范圍內(nèi)?！癤”圖案距透鏡55厘米，而“II”圖案距透鏡只4厘米。通過精確地重新排列光學(xué)元件（如將透鏡置于兩鏡子之間），使每次“往返行程”都在單次圖像采集中放大了光線，就實現(xiàn)了整形光線。這就好像相機在每次往返中都能變焦。

當他們把激光發(fā)射進場景時，僅按一次快門，就可得到兩幅獨立且聚焦的圖像（在第一次“往返”中捕捉X的圖像，在第二次“往返”中捕捉II圖像）。然后，研究人員展示了超快多光譜（或多色）相機。他們設(shè)計了兩種顏色反射鏡和一種寬帶鏡：一種顏色反射鏡是通過反射顏色，以更接近透鏡；另一種顏色反射鏡則是通過反射第二種顏色，以從透鏡前移開。利用此類相機成像帶有“A”和“B”的掩模發(fā)現(xiàn)，第二種顏色照亮A，而第一種顏色照亮了B，時間均為十分之幾皮秒。

這是由于當光線進入相機時，第一種顏色的波長會立即在第一個腔內(nèi)來回反射，由傳感器記錄其時間。然而，第二種顏色的波長會穿過第一個腔進入第二個腔，這就會使它們到達傳感器時間的略微延遲。由于研究人員了解不同顏色波長抵達傳感器的時間，他們就可將相應(yīng)的顏色疊加到圖像上（如第一個波長是第一種顏色，第二個是第二種顏色）。Heshmat說，這些對于目前只能記錄紅外光的深度傳感相機來說大有用處。Heshmat認為，該論文的關(guān)鍵貢獻在于：它可以通過調(diào)整空腔間距或使用不同類型的空腔、傳感器及透鏡，來為多種光學(xué)元件設(shè)計打開大門。

Heshmat說：“核心信息就是，當你手握快速相機或者深度傳感器時，你就不用像傳統(tǒng)相機那樣需要設(shè)計光學(xué)元件。你可以通過在恰當時間成像來實現(xiàn)更多的拍攝可能?！惫庾訉W(xué)實驗室主任、加州大學(xué)伯克利分校電子與計算機工程教授Bahram Jalali說：“這項工作開發(fā)了時間維度，使得利用脈沖激光照明的超快相機實現(xiàn)了新功能。這為設(shè)計成像系統(tǒng)開辟了一條新道路。超快成像技術(shù)使得利用如組織等散射介質(zhì)成像成為可能，這一工作有望改善醫(yī)學(xué)成像，特別是手術(shù)顯微鏡?！?/p>