Forskere afslører single-shot og komplet polarisationsbilleddannelsessystem ved hjælp af metasurfaces

Tænk på al den information, vi får baseret på, hvordan et objekt interagerer med lysets bølgelængder - også kaldet farve. Farve kan fortælle os, om maden er sikker at spise, eller om et stykke metal er varmt. Farve er et vigtigt diagnostisk værktøj i medicin, der hjælper praktiserende læger med at diagnosticere sygt væv, betændelse eller problemer med blodgennemstrømningen.

Virksomheder har investeret kraftigt for at forbedre farver i digital billedbehandling, men bølgelængde er kun en egenskab ved lys. Polarisering – hvordan det elektriske felt svinger, når lys forplanter sig – er også rig på information, men polarisationsbilleddannelse forbliver for det meste begrænset til laboratorieindstillinger på bordplader, der er afhængige af traditionel optik såsom bølgeplader og polarisatorer på omfangsrige rotationsbeslag.

Nu har forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklet et kompakt polariseringssystem med enkelt skud, der kan give et komplet billede af polarisering.

Ved at bruge kun to tynde metaoverflader kan billedbehandlingssystemet frigøre det store potentiale ved polarisationsbilleddannelse til en række eksisterende og nye applikationer, herunder biomedicinsk billedbehandling, augmented og virtual reality-systemer og smartphones. Forskningen er publiceret i Nature Photonics .

"Dette system, som er fri for bevægelige dele eller bulk polarisationsoptik, vil styrke applikationer inden for medicinsk billeddannelse i realtid, materialekarakterisering, maskinsyn, måldetektion og andre vigtige områder," sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace. Professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter til papiret.

I tidligere forskning udviklede Capasso og hans team et første af sin slags kompakt polarisationskamera til at optage såkaldte Stokes-billeder, billeder af polarisationssignaturen, der reflekterer fra et objekt - uden at kontrollere den indfaldende belysning.

"Ligesom skyggen eller endda farven på et objekt kan se anderledes ud afhængigt af farven på den indfaldende belysning, afhænger polarisationssignaturen af ​​et objekt af belysningens polarisationsprofil," sagde Aun Zaidi, en nylig ph.d. kandidat fra Capassos gruppe og første forfatter af papiret.

"I modsætning til konventionel polarisationsbilleddannelse kan 'aktiv' polarisationsbilleddannelse, kendt som Mueller matrix-billeddannelse, fange den mest komplette polarisationsrespons af et objekt ved at kontrollere den indfaldende polarisering."

I øjeblikket kræver Mueller matrix-billeddannelse en kompleks optisk opsætning med flere roterende plader og polarisatorer, der sekventielt optager en række billeder, som kombineres for at realisere en matrix-repræsentation af billedet.

Det forenklede system udviklet af Capasso og hans team bruger to ekstremt tynde metaoverflader – den ene til at belyse et objekt og den anden til at fange og analysere lyset på den anden side.

Den første metasurface genererer det, der er kendt som polariseret struktureret lys, hvor polariseringen er designet til at variere rumligt i et unikt mønster. Når dette polariserede lys reflekteres eller transmitteres gennem objektet, der belyses, ændres strålens polarisationsprofil. Denne ændring fanges og analyseres af den anden metasurface for at konstruere det endelige billede – i et enkelt skud.

Teknikken giver mulighed for avanceret billeddannelse i realtid, hvilket er vigtigt for applikationer som endoskopisk kirurgi, ansigtsgenkendelse i smartphones og øjensporing i AR/VR-systemer. Det kan også kombineres med kraftfulde maskinlæringsalgoritmer til applikationer inden for medicinsk diagnostik, materialeklassificering og lægemidler.

"Vi har samlet to tilsyneladende adskilte felter af struktureret lys og polariseret billeddannelse for at designe et enkelt system, der fanger den mest komplette polarisationsinformation.

"Vores brug af nanokonstruerede metasurfaces, som erstatter mange komponenter, som traditionelt ville være påkrævet i et system som dette, forenkler dets design i høj grad," sagde Zaidi.

"Vores enkeltbillede og kompakte system giver en levedygtig vej for den udbredte anvendelse af denne type billedbehandling for at styrke applikationer, der kræver avanceret billedbehandling," sagde Capasso.

Flere oplysninger: Aun Zaidi et al., Metasurface-aktiveret enkeltbillede og komplet Mueller matrix-billeddannelse, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01426-x

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences