革命性的元光学设备和尖端计算成像算法改变了热成像技术的运用

革命性的元光学设备和尖端计算成像算法改变了热成像技术的运用 "我们的方法克服了传统光谱热成像仪的难题，传统热成像仪由于依赖于大型滤光轮或干涉仪，通常都比较笨重和精密，"研究团队负责人、来自普渡大学的祖宾-雅各布（Zubin Jacob）说。"我们将元光学设备和尖端计算成像算法结合起来，创造出一种既紧凑又坚固，同时还具有大视场的系统。"在光学出版集团的高影响力研究期刊《光学》（Optica）上，作者介绍了他们的新型光谱偏振分解系统，该系统利用一叠旋转元表面将热光分解为光谱和偏振成分。这样，除了传统热成像技术获取的强度信息外，成像系统还能捕捉热辐射的光谱和偏振细节。研究人员的研究表明，新系统可与商用热像仪配合使用，成功地对各种材料进行分类，而这对于传统热像仪来说通常是一项具有挑战性的任务。这种方法能够根据光谱偏振特征区分温度变化和识别材料，有助于提高包括自动导航在内的各种应用的安全性和效率。旋转元表面堆栈可将热光分解为光谱和偏振成分。研究人员将元表面堆栈与传统的长波红外摄像机和计算成像算法相结合，创建了一个紧凑而强大的光谱热成像系统。本文第一作者、普渡大学博士后研究员王学吉说："传统的自主导航方法主要依赖于 RGB 摄像机，而这种摄像机在光线不足或天气恶劣等恶劣条件下难以发挥作用。与热辅助探测和测距技术相结合，我们的光谱偏振热像仪可以在这些困难的情况下提供重要信息，比 RGB 或传统热像仪提供更清晰的图像。一旦我们实现了实时视频捕捉，该技术就能大大提高场景感知能力和整体安全性。"用更小的相机做更多的事情长波红外光谱偏振成像对于夜视、机器视觉、痕量气体传感和热成像等应用至关重要。然而，当今的光谱极坐标长波红外成像仪体积庞大，光谱分辨率和视场有限。为了克服这些限制，研究人员转向大面积元表面能以复杂方式操纵光线的超薄结构表面。在设计出具有定制红外响应的旋转色散元表面后，他们开发出了一种制造工艺，可以利用这些元表面制造出适合成像应用的大面积（直径 2.5 厘米）旋转设备。由此产生的旋转堆栈尺寸小于 10 x 10 x 10 厘米，可与传统红外摄像机配合使用。"将这些大面积元光学设备与计算成像算法相结合，有助于高效地重建热辐射光谱。这使得光谱极坐标热成像系统比以前的系统更加紧凑、坚固和有效"。利用热成像技术对材料进行分类为了评估他们的新系统，研究人员使用各种材料和微结构拼出了"普渡大学"字样，每种材料和微结构都具有独特的光谱极坐标特性。利用该系统获取的光谱极坐标信息，他们准确地区分了不同的材料和物体。他们还证明，与传统热成像方法相比，该系统的材料分类准确性提高了三倍，凸显了该系统的有效性和多功能性。研究人员说，这种新方法对于需要详细热成像的应用尤其有用。"例如，在安全领域，它可以通过检测隐藏在人身上的物品或物质来彻底改变机场系统，王学吉说。"此外，其紧凑坚固的设计增强了其在不同环境条件下的适用性，使其特别有利于自主导航等应用"。除了利用该系统实现视频捕捉之外，研究人员还在努力提高该技术的光谱分辨率、传输效率以及图像捕捉和处理速度。他们还计划改进元表面设计，以实现更复杂的光操作，从而获得更高的光谱分辨率。此外，他们还希望将该方法扩展到室温成像，因为元表面堆栈的使用限制了该方法对高温物体的应用。他们计划利用改进的材料、元表面设计和抗反射涂层等技术来实现这一目标。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

东京大学研究人员的新算法让iPhone变成全息投影仪

东京大学研究人员的新算法让iPhone变成全息投影仪 东京大学的一个研究小组介绍了一种利用智能手机生成全息图像的实用、经济高效的方法，旨在简化和增强虚拟现实和增强现实的 3D 显示效果，同时避免激光系统的缺点。无论增强现实和虚拟现实显示器是用于游戏、教育还是其他应用，结合 3D 显示器都能创造出更加逼真和互动的用户体验。来自日本东京大学的研究小组组长 Ryoichi Horisaki 说："尽管全息技术可以创建出非常逼真的物体 3D 呈现，但传统方法并不实用，因为它们依赖于激光源。激光发出的相干光易于控制，但却使系统变得复杂、昂贵，而且有可能对眼睛造成伤害。"在 Optica 出版集团的《光学快报》（Optics Letters）杂志上，研究人员介绍了他们基于计算机生成全息技术（CGH）的新方法。得益于他们开发的一种新算法，他们只需使用一部 iPhone 和一种名为空间光调制器的光学元件，就能再现由两个全息层组成的三维彩色图像。研究人员开发出一种三维全彩显示方法，利用智能手机屏幕而不是激光来创建全息图像。图为他们的实验结果，其中可以观察到从第一层到第二层的连续过渡。图片来源：东京大学 Ryoichi Horisaki"我们相信，在未来的视觉界面和 3D 显示应用中，这种方法最终将有助于最大限度地减少光学元件、降低成本和减少对眼睛的潜在伤害，"论文第一作者 Otoya Shigematsu 说。"更具体地说，它有可能提高近眼显示器的性能，比如高端VR头显中使用的近眼显示器。"更实用的方法虽然 CGH 使用算法生成图像，但通常需要激光发出的相干光来显示这些全息图像。在之前的一项研究中，研究人员发现，白色芯片板发光二极管发出的时空非相干光可用于 CGH。然而，这种装置需要两个空间光调制器控制光波面的设备由于价格昂贵而不切实际。在这项新研究中，研究人员开发出了一种成本更低、更实用的非相干 CGH 方法。Horisaki 说："这项工作与我们实验室对计算成像的关注不谋而合，计算成像是一个致力于通过将光学与信息科学相结合来创新光学成像系统的研究领域。我们致力于最大限度地减少光学元件，消除传统光学系统中不切实际的要求。"图为第一作者重松大弥在实验室中使用的光学实验装置。资料来源：Ryoichi Horisaki，东京大学新方法通过空间光调制器传递来自屏幕的光线，从而呈现多层次的全彩三维图像。虽然这看似简单，但却需要对屏幕的非相干光传播过程进行仔细建模，然后利用这些信息开发出一种新算法，将来自设备屏幕的光线与单个空间光调制器协调起来。重松说："使用低相干光的全息显示器可以实现逼真的三维显示，同时有可能降低成本和复杂性。尽管包括我们在内的几个小组已经展示了使用低相干光的全息显示器，但我们通过使用智能手机显示器将这一概念发挥到了极致。"为了演示这种新方法，研究人员在 iPhone 14 Pro 的屏幕上显示了一层全息图像，并在空间光调制器上显示了第二层全息图像，从而制作出了双层光学再现全彩 3D 图像。生成的图像每边的尺寸为几毫米。研究人员目前正在努力改进这项技术，使其能够显示更大、层次更多的 3D 图像。更多层次可以提高空间分辨率，使物体在不同深度或距离观看者更远的地方出现，从而使图像看起来更逼真。 ... PC版： 手机版：

世界最轻头戴式荧光显微镜问世 仅0.43克重

世界最轻头戴式荧光显微镜问世 仅0.43克重 在研究中，研究人员采用具备串行输出功能且尺寸更小的图像传感器芯片，最大程度地减少了TINIscope头戴部分的额外电路功能，并解决了信号传输方面的问题。在光路方面，头戴式设备的荧光激发光路（LED侧）和采集光路（CMOS侧）通常为垂直排列，传统设备中尺寸较大的CMOS侧位于竖直方向。但小鼠头部空间有限，无法同时放置4个设备。在此次研究中，研究人员改变了TINIscope的光路设计，使其更易在头部排布。据悉，TINIscope在安装时更易调节角度，可实现最小间距为1.2毫米的两个脑区同步成像，基本实现任意4个目标脑区的同步记录。此外，研究人员还利用换向装置和完整实验采集系统，解决了动物在自由活动时的电缆缠绕问题。 ... PC版： 手机版：

中国科大研发超轻头戴荧光显微镜TINIscope设备

中国科大研发超轻头戴荧光显微镜TINIscope设备 中国科学技术大学、中国科学院深圳先进技术研究院和深圳理工大学（筹）的研究团队近日联合开发了一种名为TINIscope的超紧凑头戴式荧光显微镜。这款显微镜的重量仅为0.43克，远轻于传统头戴式设备的约2克重量。传统设备在小鼠等小动物头上植入四个时，因负重过大而可能影响其正常自由活动。 为了解决这一问题，研究团队采用了具备串行输出功能的小型图像传感器芯片，并解决了信号传输的难题。在设计上，他们创新性地改变了传统的垂直排列方式，使得TINIscope的光路设计更加灵活，最小间距仅为1.2毫米。此外，研究团队还引入了换向装置和完整的实验采集系统，以解决动物在自由活动时可能遇到的电缆缠绕问题。 这项研究为脑科学领域带来了全新的研究工具，能够实现对任意四个目标脑区的同步记录。TINIscope的安装角度易于调节，能够满足多种成像需求。其轻巧的设计也使其成为长时间观察小动物头部研究的理想选择。 通过不断的改进和优化，研究团队成功开发出世界上最轻、最紧凑的超微型荧光显微镜TINIscope，并取得了显著的研究成果。这一创新技术有望为脑科学研究带来新的突破，并具有广泛的应用前景。 via 标签: #显微镜 频道: @GodlyNews1 投稿: @GodlyNewsBot 微软 2024 开学季促销

斯坦福科学家开发出革命性的AR头戴设备 全息技术让普通眼镜展示3D仙境

斯坦福科学家开发出革命性的AR头戴设备 全息技术让普通眼镜展示3D仙境 通过全息技术和人工智能，这些眼镜可以在直接观看真实世界的基础上显示全彩 3D 移动图像。图片来源：安德鲁-布罗德海德电子工程系副教授、快速崛起的空间计算领域专家戈登-韦茨坦（Gordon Wetzstein）说："我们的头显在外界看来就像一副日常佩戴的眼镜，但佩戴者透过镜片看到的是一个丰富的世界，上面叠加着生动的全彩三维计算图像。"韦茨坦和一个工程师团队在《自然》杂志上发表的一篇新论文中介绍了他们的设备。他们说，虽然这种技术现在只是一个原型，但它可以改变从游戏和娱乐到培训和教育等领域在任何地方，计算机图像都可以增强或告知佩戴者对周围世界的了解。韦茨坦领导的斯坦福计算成像实验室的博士生、该论文的共同第一作者马努-戈帕库马尔（Manu Gopakumar）说："我们可以想象，外科医生戴着这样的眼镜来规划精细或复杂的手术，或者飞机机械师戴着这样的眼镜来学习如何操作最新的喷气发动机。"这种新方法首次将复杂的工程要求串联起来，迄今为止，这些要求要么导致头戴式头显不美观，要么导致 3D 视觉体验不令人满意，佩戴者会感到视觉疲劳，有时甚至有点恶心。斯坦福大学计算成像实验室博士后研究员、论文共同第一作者 Gun-Yeal Lee 说："目前还没有其他增强现实系统能与我们的三维图像质量相媲美。"为了取得成功，研究人员结合人工智能增强全息成像和新型纳米光子设备方法，克服了各种技术障碍。第一个障碍是，显示增强现实图像的技术通常需要使用复杂的光学系统。在这些系统中，用户实际上无法通过头显镜头看到真实世界。相反，安装在头显外部的摄像头会实时捕捉世界，并将图像与计算图像相结合。然后将生成的混合图像立体投射到用户眼中。"用户看到的是现实世界的数字化近似图，上面叠加了计算图像。这是一种增强虚拟现实，而不是真正的增强现实。"Wetzstein 解释说，这些系统必然非常笨重，因为它们在佩戴者的眼睛和投影屏幕之间使用放大镜片，要求眼睛、镜片和屏幕之间的距离最小，从而增加了体积。斯坦福计算成像实验室的博士生、论文的共同作者 Suyeon Choi 说："除了笨重之外，这些局限性还可能导致感知真实度不尽人意，通常还会造成视觉不适。"为了制作出在视觉上更令人满意的三维图像，韦茨坦摒弃了传统的立体方法，转而采用全息技术，这是一种在 20 世纪 40 年代末获得诺贝尔奖的视觉技术。尽管全息技术在三维成像方面大有可为，但由于无法描绘准确的三维深度线索，全息技术的广泛应用一直受到限制，导致视觉体验不佳，有时甚至令人有类似晕车的反应。Wetzstein 团队利用人工智能改进了全息图像中的深度提示。然后，利用纳米光子学和波导显示技术的进步，研究人员能够将计算出的全息图像投射到眼镜镜片上，而无需依赖笨重的附加光学器件。通过在透镜表面蚀刻纳米级的图案来构建波导。安装在每个太阳穴上的小型全息显示屏通过蚀刻图案投射计算图像，这些图案会在镜片内反弹光线，然后将光线直接传送到观看者的眼睛。透过眼镜片，用户既能看到真实世界，又能看到上面显示的全彩 3D 计算图像。3D 效果之所以得到增强，是因为它是通过立体和全息两种方式产生的，前者是指每只眼睛都能看到略有不同的图像，就像传统的 3D 成像一样；后者则是指每只眼睛都能看到略有不同的图像，就像传统的 3D 成像一样。斯坦福大学计算成像实验室的博士生布莱恩-赵（Brian Chao）是这篇论文的共同作者，他说："利用全息技术，你还可以在每只眼睛前获得完整的三维体积，从而提高栩栩如生的三维图像质量。"新的波导显示技术和全息成像技术的最终成果是提供逼真的三维视觉体验，既能满足用户的视觉需求，又不会让用户感到疲劳，而这种疲劳感正是早期方法所面临的挑战。Wetzstein 说："全息显示一直被认为是终极 3D 技术，但它从未取得过重大的商业突破。也许现在他们有了多年来一直在等待的杀手级应用"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

血流成像手表可以随时随地查看体内血液情况

血流成像手表可以随时随地查看体内血液情况  高分辨率光声成像技术已缩小到能装进手表里光声成像的工作原理是这样的。首先，物体吸收光，这里是激光脉冲。被吸收的光能转化为热能，产生温升。然后，热弹性膨胀产生可探测的声波。超声波成像和光声成像的区别在于，前者能识别解剖结构，而后者则能获得分辨率更高的功能和结构图像。由于光声成像可以穿透2-3厘米（0.8-1.2英寸）深的组织，它已被用于扫描血管、估算血液含氧量（血氧饱和度）以及诊断皮肤病和癌症。中国南方科技大学（SUSTech）的研究人员开发出了一种光声成像装置，其体积小到可以装在手表里。"虽然光声成像对血液动力学的变化极为敏感，但成像接口的小型化和优化困难重重，限制了可穿戴光声设备的发展，"概述研究人员新系统的研究报告通讯作者奚磊说。"据我们所知，这是首个适合医疗保健应用的光声可穿戴设备"。光声手表能捕捉皮肤血管的高分辨率图像血液动力学是血液流动的动力学。记录心率、血压和血氧饱和度等血液动力学参数可以衡量心脏的工作状况。研究人员的设备包括一块带有成像界面的手表、一台手持电脑和一个装有激光器和电源的背包（背包重量为 7 千克/15 磅）。它的设计允许佩戴者自由移动。该设备的激光焦点可调整，这意味着它能够对皮肤等多层结构成像，其 8.7 微米的分辨率足以在直径约 3 毫米的最大视野内对皮肤中的大多数微小血管成像。志愿者佩戴光声装置在不同条件下进行测试，如行走时或袖带暂时阻断手臂血流时。测试表明，该系统可用、小巧、稳定，可以自由移动。背包内装有设备的激光供应器和电源，重 15 磅。"像我们开发的这种微型可穿戴成像系统有可能被社区卫生中心用于疾病的初步诊断，或在医院环境中用于血液循环相关参数的长期监测，为各种疾病的治疗提供有价值的见解，"奚磊说。"随着进一步开发，这种系统还可用于早期检测牛皮癣和黑色素瘤等皮肤病，或分析烧伤情况。"研究人员正在努力研制一种激光源更小、脉冲重复率更高的系统，这将使系统更加紧凑、轻便，同时提高安全性和分辨率。最终，这将包括抛弃背包。鉴于现代激光二极管技术和电子信息技术的飞速发展，研制出更先进、更智能、不需要背包的光声手表应该是完全可行的。他们还希望改进设备，使其能够承受更剧烈的体力活动，如跑步和跳跃。此外，他们还希望加入更多血液动力学参数，包括对血管数量和体积的定性评估，这将有助于该系统用于癌症和心血管疾病的早期诊断。这项研究发表在《光学通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：