Technicolor навсегда изменил то, как камеры и люди видят и воспринимают мир вокруг них. Сегодня появилась новая пропасть, с которой открываются виды на поляризованный мир.
Поляризация, направление, в котором колеблется свет, невидима для человеческого глаза (но видна некоторым видам креветок и насекомых). Но он предоставляет большой объем информации об объектах, с которыми он взаимодействует.
Камеры, которые видят поляризованный свет, в настоящее время используются для обнаружения напряжения материала, повышения контрастности для обнаружения объектов и анализа качества поверхности на предмет вмятин и царапин.
Однако, как и первые цветные камеры, поляризационно-чувствительные камеры текущего поколения громоздки. Более того, они часто зависят от движущихся частей и являются дорогостоящими, что серьезно ограничивает сферу их потенциального применения.
Теперь исследователи из Гарвардского университета Джон А. Школа инженерных и прикладных наук Полсона (SEAS) разработала очень компактную портативную камеру, которая может отображать поляризацию в одном кадре.
Миниатюрная камера размером с большой палец может найти место в системах обзора автономных транспортных средств, на борту самолетов или спутников для изучения химии атмосферы или использоваться для обнаружения замаскированных объектов.
Исследование опубликовано в Science.
«Это исследование меняет правила игры в визуализацию», – сказал Федерико Капассо, эксперт Роберта Л. Уоллес, профессор прикладной физики, и Винтон Хейс, старший научный сотрудник в области электротехники в SEAS и старший автор статьи. "Большинство камер обычно могут определять только интенсивность и цвет света, но не видят поляризацию.
Эта камера – новый взгляд на реальность, позволяющий нам понять, как свет отражается и передается окружающим миром."
«Поляризация – это свойство света, которое изменяется при отражении от поверхности», – сказал Поль Шевалье, научный сотрудник SEAS и соавтор исследования. "На основе этого изменения поляризация может помочь нам в трехмерной реконструкции объекта, оценить его глубину, текстуру и форму, а также отличить искусственные объекты от естественных, даже если они имеют одинаковую форму и цвет."
Чтобы открыть этот мощный мир поляризации, Капассо и его команда использовали потенциал метаповерхностей, наноразмерных структур, которые взаимодействуют со светом в масштабах длины волны.
«Если мы хотим измерить состояние полной поляризации света, нам нужно сделать несколько снимков в разных направлениях поляризации», – сказал Ноа Рубин, первый автор статьи и аспирант лаборатории Капассо. "Предыдущие устройства либо использовали движущиеся части, либо направляли свет по нескольким путям для получения нескольких изображений, что приводило к громоздкой оптике. В более новой стратегии используются пиксели камеры с особым рисунком, но этот подход не позволяет измерять состояние полной поляризации и требует нестандартного датчика изображения. В этой работе мы смогли взять всю необходимую оптику и интегрировать ее в одно простое устройство с метаповерхностью."
Используя новое понимание того, как поляризованный свет взаимодействует с объектами, исследователи разработали метаповерхность, которая использует массив субволновых наностолбиков для направления света на основе его поляризации.
Затем свет формирует четыре изображения, каждое из которых показывает разные аспекты поляризации. Взятые вместе, они дают полный снимок поляризации в каждом пикселе.
Устройство около двух сантиметров в длину и не сложнее камеры на смартфоне.
С прикрепленным объективом и защитным чехлом устройство размером с небольшую коробку для завтрака. Исследователи протестировали камеру, чтобы выявить дефекты в отлитых под давлением пластиковых объектах, вынесли ее на улицу, чтобы снять поляризацию лобового стекла автомобиля, и даже сделали селфи, чтобы продемонстрировать, как поляризационная камера может визуализировать трехмерные контуры лица.
«Эта технология может быть интегрирована в существующие системы визуализации, такие как система в вашем мобильном телефоне или автомобиле, что позволит повсеместно внедрить поляризационную визуализацию и новые приложения, которые ранее не были предусмотрены», – сказал Рубин.
«Это исследование открывает новое захватывающее направление для технологий камер с беспрецедентной компактностью, позволяя нам представить приложения в области атмосферных исследований, дистанционного зондирования, распознавания лиц, машинного зрения и многого другого», – сказал Капассо.
Управление технологического развития Гарварда защитило интеллектуальную собственность, относящуюся к этому проекту, и изучает возможности коммерциализации.
Соавторами исследования являются Габриэле Д’Аверса, Чжуцзюнь Ши и Вэй Тинг Чен.
Он был поддержан Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС США, грантом по физическим наукам и инженерным ускорителям Управления технологического развития Гарвардского университета, Google Accelerated Science и Университета науки и технологий имени короля Абдаллы. Эта работа была частично выполнена в Гарвардском центре наномасштабных систем.