Tänk på all information vi får baserat på hur ett objekt interagerar med ljusets våglängder – även färg. Färg kan berätta om maten är säker att äta eller om en metallbit är varm. Färg är ett viktigt diagnostiskt verktyg inom medicin, som hjälper utövare att diagnostisera sjuk vävnad, inflammation eller problem i blodflödet.
Företag har investerat mycket för att förbättra färgen i digital bildbehandling, men våglängd är bara en egenskap hos ljus. Polarisering – hur det elektriska fältet oscillerar när ljuset fortplantar sig – är också rikt på information, men polarisationsavbildning förblir mestadels begränsad till bordsbaserade laboratoriemiljöer, beroende på traditionell optik som vågplattor och polarisatorer på skrymmande rotationsfästen.
Nu har forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklat ett kompakt, enkelbilds polarisationsavbildningssystem som kan ge en komplett bild av polarisering.
Genom att använda bara två tunna metasytor kan bildbehandlingssystemet låsa upp den stora potentialen för polarisationsavbildning för en rad befintliga och nya applikationer, inklusive biomedicinsk bildbehandling, förstärkta och virtuella verklighetssystem och smarta telefoner. Forskningen publiceras i Nature Photonics .
"Det här systemet, som är fritt från rörliga delar eller bulkpolarisationsoptik, kommer att ge applikationer inom medicinsk avbildning i realtid, materialkarakterisering, maskinseende, måldetektering och andra viktiga områden", säger Federico Capasso, Robert L. Wallace. Professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och senior författare till artikeln.
I tidigare forskning utvecklade Capasso och hans team en första i sitt slag, kompakt polarisationskamera för att fånga så kallade Stokes-bilder, bilder av polarisationssignaturen som reflekteras från ett objekt – utan att kontrollera den infallande belysningen.
"Precis som nyansen eller till och med färgen på ett objekt kan se olika ut beroende på färgen på den infallande belysningen, beror polarisationssignaturen för ett objekt på belysningens polarisationsprofil", säger Aun Zaidi, en nyligen doktorand. examen från Capassos grupp och första författare till tidningen.
"I motsats till konventionell polarisationsavbildning, kan "aktiv" polarisationsavbildning, känd som Mueller-matrisavbildning, fånga det mest kompletta polarisationssvaret för ett objekt genom att kontrollera den infallande polariseringen."
För närvarande kräver Mueller matrisavbildning en komplex optisk uppställning med flera roterande plattor och polarisatorer som sekventiellt fångar en serie bilder som kombineras för att realisera en matrisrepresentation av bilden.
Det förenklade systemet som utvecklats av Capasso och hans team använder två extremt tunna metasytor – en för att belysa ett objekt och den andra för att fånga och analysera ljuset på andra sidan.
Den första metaytan genererar vad som kallas polariserat strukturerat ljus, där polarisationen är utformad för att variera rumsligt i ett unikt mönster. När detta polariserade ljus reflekteras eller sänder genom föremålet som belyses, ändras strålens polarisationsprofil. Den förändringen fångas och analyseras av den andra metaytan för att konstruera den slutliga bilden – i en enda bild.
Tekniken möjliggör avancerad avbildning i realtid, vilket är viktigt för applikationer som endoskopisk kirurgi, ansiktsigenkänning i smartphones och ögonspårning i AR/VR-system. Det skulle också kunna kombineras med kraftfulla maskininlärningsalgoritmer för tillämpningar inom medicinsk diagnostik, materialklassificering och läkemedel.
"Vi har sammanfört två till synes separata fält av strukturerat ljus och polariserad avbildning för att designa ett enda system som fångar den mest kompletta polarisationsinformationen.
"Vår användning av nanokonstruerade metasytor, som ersätter många komponenter som traditionellt skulle krävas i ett system som detta, förenklar designen avsevärt," sa Zaidi.
"Vårt enkelbilds och kompakta system ger en livskraftig väg för den utbredda användningen av denna typ av bildbehandling för att möjliggöra tillämpningar som kräver avancerad bildbehandling", säger Capasso.
Mer information: Aun Zaidi et al, Metasurface-aktiverad enkelbild och komplett Mueller-matrisbild, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01426-x
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
