Bærbart polarisationsfølsomt kamera kan bruges i maskinsyn, autonome køretøjer, sikkerhed og mere

Da den første film i fuld længde blev lavet med den avancerede, trefarvet proces med Technicolor havde premiere i 1935, New York Times erklærede "det frembragte i tilskueren al den spænding ved at stå på en top ... og se et mærkeligt, smuk og uventet ny verden. "

Technicolor ændrede for altid hvordan kameraer - og mennesker - så og oplevede verden omkring dem. I dag, der er et nyt afgrund - dette, med udsigt til en polariseret verden.

Polarisering, i hvilken retning lyset vibrerer, er usynlig for det menneskelige øje (men synligt for nogle arter af rejer og insekter). Men den giver en masse information om de objekter, den interagerer med. Kameraer, der ser polariseret lys, bruges i øjeblikket til at registrere materiel stress, øge kontrasten til objektregistrering, og analyser overfladekvalitet for buler eller ridser.

Imidlertid, ligesom de tidlige farvekameraer, den nuværende generations polarisationsfølsomme kameraer er omfangsrige. I øvrigt, de er ofte afhængige af bevægelige dele og er dyre, stærkt begrænsende omfanget af deres potentielle anvendelse.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en meget kompakt, bærbart kamera, der kan billedpolarisering i et enkelt skud. Miniaturekameraet - på størrelse med en tommelfinger - kunne finde en plads i autonome køretøjers synssystemer, ombord på fly eller satellitter for at studere atmosfærisk kemi, eller bruges til at detektere camouflerede objekter.

Forskningen er publiceret i Videnskab .

"Denne forskning ændrer spil for billeddannelse, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace -professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "De fleste kameraer kan typisk kun registrere lysets intensitet og farve, men kan ikke se polarisering. Dette kamera er et nyt øje til virkeligheden, giver os mulighed for at afsløre, hvordan lys reflekteres og transmitteres af verden omkring os. "

"Polarisering er et træk ved lys, der ændres ved refleksion fra en overflade, "sagde Paul Chevalier, en postdoktor ved SEAS og medforfatter af undersøgelsen. "Baseret på den ændring, polarisering kan hjælpe os med 3D-rekonstruktion af et objekt, at estimere dens dybde, struktur og form, og for at skelne menneskeskabte genstande fra naturlige, selvom de har samme form og farve. "

For at låse op for den stærke polariseringsverden, Capasso og hans team udnyttede potentialet i metasurfaces, nanoskala strukturer, der interagerer med lys ved bølgelængde størrelses-skalaer.

"Hvis vi vil måle lysets fulde polariseringstilstand, vi skal tage flere billeder langs forskellige polarisationsretninger, "sagde Noah Rubin, første forfatter til papiret og kandidatstuderende i Capasso Lab. "Tidligere enheder brugte enten bevægelige dele eller sendte lys ad flere stier for at erhverve de flere billeder, resulterer i omfangsrig optik. En nyere strategi bruger specielt mønstrede kamerapixel, men denne fremgangsmåde måler ikke den fulde polarisationstilstand og kræver en ikke-standard billedsensor. I dette arbejde, vi var i stand til at tage al den nødvendige optik og integrere dem i en enkelt, simpel enhed med en metasurface. "

Ved hjælp af en ny forståelse af, hvordan polariseret lys interagerer med objekter, forskerne designede en metaoverflade, der bruger en række nanopiller i afstand med subbølgelængde til at lede lys baseret på dets polarisering. Lyset danner derefter fire billeder, hver viser et andet aspekt af polariseringen. Taget sammen, disse giver et fuldstændigt øjebliksbillede af polarisering ved hver pixel.

Enheden er cirka to centimeter lang og ikke mere kompliceret end et kamera på en smartphone. Med et påsat objektiv og beskyttende etui, enheden er på størrelse med en lille madkasse. Forskerne testede kameraet for at vise defekter i sprøjtestøbte plastgenstande, tog det udenfor for at filme polariseringen fra bilens forruder og tog endda selfies for at demonstrere, hvordan et polariseringskamera kan visualisere 3D-konturerne i et ansigt.

"Denne teknologi kunne integreres i eksisterende billeddannelsessystemer, såsom den i din mobiltelefon eller bil, muliggør en udbredt anvendelse af polariseringsbilleddannelse og nye applikationer, der tidligere var uforudsete, "sagde Rubin.

"Denne forskning åbner en spændende ny retning for kamerateknologi med en hidtil uset kompakthed, giver os mulighed for at forestille os applikationer inden for atmosfærisk videnskab, fjernbetjening, ansigtsgenkendelse, maskinsyn og mere, sagde Capasso.