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經常被忽視，因為其很難在實驗室環境之外實施。美國哈佛大學的研究人員通過開發一種基于Mueller矩陣成像技術的緊湊型單次曝光（single-shot）偏振成像系統解決了這個問題。新系統采用納米工程超構表面（metasurfaces）取代了傳統偏振成像系統中的許多光學元件，研究人員表示，它可能會被應用于增強現實/虛擬現實、人臉識別、生物醫學成像和基礎研究等領域。

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，揭示了使用傳統的技術無法獲得的信息。然而，在實踐中很難實現，因為它需要復雜的設備，使用多個旋轉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，利用標準數碼相機拍攝的甲蟲外殼圖像。（B）使用本研究中開發的Mueller矩陣成像系統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，要比傳統的系統簡單得多。新系統的核心是兩個超構表面——由微小介電結構陣列制成的人工設計的超薄光學元件。這些結構的行為有點像原子，被稱為“超構原子（meta-atoms）”，彼此之間的距離小于入射光的波長。

當光穿過兩個超構表面時，光的性質（例如振幅、相位和偏振）會發生變化。“第一個超構表面產生偏振結構光，其中的偏振被設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，現在是蘋果公司的光學科學家和工程師。“當這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生變化。這種變化被第二個超構表面捕獲并分析，從而在一次曝光拍攝中構建最終圖像。”

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

據麥姆斯咨詢報道，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、偏振內窺鏡成像、視網膜掃描以及癌性腫瘤的無創或微創成像。”

Aun Zaidi補充道，“由于其卓越的時間分辨率和靈活性，該技術還可以用于生成大型數據集，用于在機器學習分類應用中訓練神經網絡。除此之外，它對于基礎科學也可能很重要，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，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。”

審核編輯：劉清