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纳米光学引领3D扫描成像技术新革命

时间: 2015年04月14日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
我相信,每人都会有想要复制手边小玩意的时候。
 

试想一下,你只需要掏出手机,用3D照相机给物件拍个照,然后把图像传给3D打印机,轻轻松松地,一件以假乱真的复制品就做好了。得益于加州理工学院的科学家们研发出的微型高清3D成像仪,这项梦幻般的技术将有望成为现实。

 

当你想利用3D打印机制作一件物品的拷贝时,首先要做的便是采集物品的高清全息图像,因此需要一部可以测量出物品尺寸的3D照相机。尽管,3D图像采集技术目前已趋于成熟,但笨重而昂贵的设备仍无奈地成为其市场化道路上的绊脚石。

 

于是,一种价格低廉、结构简单、精度优良的新装置应运而生——纳米光子相干成像仪(nanophotonic coherent imager,NCI)。虽然用的是面积不足1平方毫米的廉价硅芯片,但该成像仪的景深距离测量精度却高于目前任何一款纳米光学三维成像仪。

 

此项研发工作是在阿里•哈吉米里的实验室中完成,他是工程与应用科学学院的托马斯•G•迈尔斯电气工程讲席教授。该成果发表在《光学快讯》(Optics Express)2015年1月刊上。

 

对传统的照相机而言,图像中一个个的像素仅代表该位置处光强的大小,不能体现物体到照相机距离的远近程度,换句话说,像素能储存的信息中不包含物体与照相机的相对距离。与之不同的是,加州理工研究团队研发的NCI可做到两者兼顾,所摄图像上的像素既能记录光强又能记录相对距离。“我们的成像仪被设计在一块芯片上,芯片上布满如微小的点状干涉器,所谓干涉器就是能够利用相干光来精确测量的装置,通过它我们不仅能够获得光强数据,还能得到反射光的相位和频率数据。”哈吉米里说道。

 

这种新型芯片采用的是一种成熟的测量技术——激光雷达(LIDAR)。激光器发射激光束扫描目标物体,激光被反射后在成像仪中发生干涉,成像仪根据光波波长对干涉程度进行分析,雷达在整合所有数据后推算出目标物体的尺寸以及周围环境,最终由成像仪绘制出图像。“有了激光雷达微型阵列,我们能够全方位地测绘目标物体或场景,而完全不必依赖成像仪内部的机械运动。”哈吉米里说道。

 

干涉效应(coherent)是NCI的核心技术,也是拍摄高清全息图像的关键概念。当两束光波拥有相同的频率时,它们相互接触便会发生干涉,波峰与波谷相互重叠,形成明显的亮区与暗区。在NCI中,正是利用一组相干光去照射目标物体,当其经反射返回时,会被芯片上一个个的光栅耦合器捕捉,一个耦合器就相当于一个像素点。在NCI芯片上,来自物体上每个点的光的相位、频率以及光强都会被记录下来,经整合后能够推算出成像仪到目标点的精确距离。

 

因为相干光有着统一的频率与波长,所以可以用来探测反射光束间的微小变化。凭借着相干光的特性,NCI能够精确测量物体的大小以及物体上各个点到成像仪的相对距离。随后,光束被转换成带有光强与距离信息的电信号,进而由成像仪绘制出准确的3D图像。

 

利用干涉光,不仅能够突破目前硅光子三维成像仪的极限精度,它还使成像设备微型化成为可能。“通过在微型硅芯片上对反射光束整合、约束以及处理,我们成功地将激光雷达组件缩小到了几百微米之内,300微米见方的有效面积足以容纳相干检波器的16个像素了。”哈吉米里说道。

 

现阶段NCI的成像模块只有16 个像素的大小,这意味着该成像仪只能拍出16个像素的3D图像来。但是,研究员们设计了一种方法来拍摄较大的物体,他们将物体分割成4*4像素大小的区块,随着拍摄的进行不断地移动物体,每次移动一个区块的长度,直至最终将物体完整地拍摄进去。利用这种方法,研究团队摄取了1美分硬币正面的立体图,在半米远的测量距离下,获得了分辨率达到微米级别的成像图。

 

哈吉米里坦言,在未来,16像素阵将不足为奇,设计成百上千像素品质的芯片是趋势。终有一天,凭借着形态微小却功能强大的激光雷达组件,成像仪能够获得更加精确的3D扫描能力,以此赢取更加广阔的应用空间,例如:帮助无人驾驶汽车辨识障碍物,避免碰撞;提升精细人机界面的敏感度,帮助识别患者眼部的微小运动及心脏的细微变化,并做到实时记录。

 

他激动地说,“小型高品质的新型芯片成像仪前景无限,尤其是它可用于智能手机中,适应上千种功能性的需求,这也将大大降低终端设备的成本。”

 

该研究成果发布在题为《纳米光子相干成像仪》(Nanophotonic coherent imager)的论文上,论文作者除哈吉米里外,还包括:前博士后研究员及现任宾州大学副教授费诺兹•阿弗莱顿,毕业生贝鲁兹•艾比利和安科•莱奇。该项目部分资金来自于加州理工学院创新计划(Caltech Innovation Initiative)。(翻译:刘泽宇  审稿:林然)

 

原文地址:http://www.sciencedaily.com/releases/2015/04/150403150704.htm