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微型偏振成像技術(shù)革新3D視覺 長期以來，單個攝像頭捕獲精確3D細(xì)節(jié)面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法常依賴復(fù)雜的雙相機(jī)系統(tǒng)或特殊光照條件，難以實(shí)際應(yīng)用。而南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一項(xiàng)突破性技術(shù)，將重新定義3D成像。 發(fā)表于《Optica》的最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種前沿的快照偏振立體成像系統(tǒng)（SPSIM，見圖1）。這一創(chuàng)新系統(tǒng)將超表面光學(xué)與人工智能結(jié)合，可實(shí)時提取高精度3D形貌信息。  圖1. 使用單個超透鏡的小型化快照偏振立體成像示意圖 與傳統(tǒng)多偏振片或序列曝光方法不同，SPSIM采用特殊設(shè)計(jì)的超表面透鏡單次拍攝即可捕獲全斯托克斯偏振數(shù)據(jù)。其消光比達(dá)25 dB（與商用偏振片相當(dāng)），中心波長效率高達(dá)65%，性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)偏振相機(jī)。 SPSIM核心：大規(guī)模偏振超表面 為提升系統(tǒng)性能，團(tuán)隊(duì)研制了1.65×1.65 mm²的大規(guī)模偏振超表面（圖2）。實(shí)驗(yàn)表明，該超表面可精準(zhǔn)分離入射光的六種偏振態(tài)，并將各分量引導(dǎo)至目標(biāo)位置。即便在窄帶條件下，其性能仍穩(wěn)定可靠，仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。  圖2. 超透鏡樣品的實(shí)驗(yàn)表征。（a）樣品的光學(xué)（左）與掃描電鏡（右）圖像；（b）六種偏振態(tài)的光強(qiáng)分布仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（c）歸一化強(qiáng)度與消光比特性；（d）不同偏振入射下的全斯托克斯參數(shù)；（e）950-1350 nm寬譜響應(yīng)；（f）USAF分辨率板透射成像。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：高精度3D重建的關(guān)鍵 SPSIM的成功核心在于其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動處理流程。通過引入圓偏振信息，系統(tǒng)表面法向精度顯著提升，深度誤差小于0.15 mm，為生物醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)檢測等精密應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 3D重建流程（圖3）包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、物理先驗(yàn)計(jì)算、U-Net網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練三大模塊。針對方位角模糊問題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地融合明暗恢復(fù)形狀（SFS）物理先驗(yàn)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高精度表面法向重建。  圖3. 偏振3D重建流程圖。（a）數(shù)據(jù)預(yù)處理；（b）反射特性物理建模；（c）條件歸一化U-Net架構(gòu)；（d）瓶體法向圖與3D深度重建結(jié)果。 實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證：突破性重建效果 通過自然光條件下的瓶罐、兔子等物體測試（圖4），傳統(tǒng)相機(jī)與人眼難以分辨的樹脂材質(zhì)細(xì)節(jié)，SPSIM卻展現(xiàn)出卓越靈敏度。對比實(shí)驗(yàn)證明，圓偏振（CP）信息的引入使輪廓捕捉精度提升顯著，其缺失將導(dǎo)致法向圖嚴(yán)重失真。  圖4. 表面法向重建對比。（a）不同方法重建效果；（b）圓偏振對摩艾石像細(xì)節(jié)的影響；（c）截面輪廓精度對比。 多維重建與未來前景 通過多角度拍攝與點(diǎn)云融合（圖5），系統(tǒng)成功重建物體完整3D紋理。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了：（1）基于法向圖的離散積分深度重建；（2）60°步進(jìn)多視角深度圖提取；（3）點(diǎn)云融合生成3D模型。  圖5. 3D可視化。（a）法向圖深度重建；（b）貓頭鷹多視角點(diǎn)云；（c）融合3D模型。 開啟3D成像新紀(jì)元 該研究標(biāo)志著高分辨率3D成像的重大突破。SPSIM的緊湊設(shè)計(jì)使其可集成于便攜設(shè)備，即便在極端環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時3D重建。這項(xiàng)技術(shù)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人視覺等領(lǐng)域的創(chuàng)新開辟了新航道。 相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.549864 |
