Die Polarisation, die Richtung, in der Licht schwingt, liefert viele Informationen über die Objekte, mit denen es interagiert, von Aerosolen in der Atmosphäre bis zum Magnetfeld von Sternen. Da diese Lichtqualität jedoch für das menschliche Auge unsichtbar ist, haben sich Forscher und Ingenieure auf spezialisierte, teure und sperrige Kameras verlassen, um sie einzufangen. Bis jetzt.
Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben eine Metaoberflächenbefestigung entwickelt, die nahezu jede Kamera oder jedes Bildgebungssystem, sogar handelsübliche Systeme, in Polarisationskameras verwandeln kann. Der Aufsatz verwendet eine Metaoberfläche aus Subwellenlängen-Nanosäulen, um Licht basierend auf seiner Polarisation zu lenken, und erstellt ein Bild, das die Polarisation an jedem Pixel erfasst.
Die Forschung ist veröffentlicht in Optik Express.
„Das Hinzufügen von Polarisationsempfindlichkeit zu praktisch jeder Kamera wird Details und Merkmale offenbaren, die gewöhnliche Kameras nicht sehen können, was einer breiten Palette von Anwendungen zugute kommt, von Gesichtserkennung und selbstfahrenden Autos bis hin zu Fernerkundung und maschinellem Sehen“, sagte Federico Capasso, the Robert L. Wallace Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering am SEAS und Seniorautor der Studie.
Im Jahr 2019 entwickelten Capasso und sein Team eine kompakte, tragbare Kamera, die eine Metaoberfläche verwendete, um die Polarisation in einer einzigen Aufnahme abzubilden. In dieser Forschung untersuchte das Team, wie das Konzept einer Polarisationskamera verallgemeinert werden kann.
„Nach dem Bau der spezialisierten Polarisationskamera wollten wir tiefer gehen und die Designregeln und Kompromisse untersuchen, die die Paarung einer speziellen Polarisationskomponente mit einem herkömmlichen Kamerasystem regeln“, sagte Noah Rubin, ein Doktorand bei SEAS und Co- Erstautor der Studie.
Um diese Konstruktionsregeln zu demonstrieren, befestigten die Forscher die Polarisations-Metaoberfläche an einer handelsüblichen Bildverarbeitungskamera, indem sie sie einfach vor die Objektivlinse in eine kleine Röhre schraubten, in der sich auch ein Farbfilter und eine Feldblende befanden. Von dort aus mussten sie nur noch zeigen und klicken, um Polarisationsinformationen zu erhalten.
Die Nanosäulen lenken Licht basierend auf Polarisation, wodurch vier Bilder entstehen, die jeweils einen anderen Aspekt der Polarisation zeigen. Die Bilder werden dann zusammengesetzt und ergeben eine vollständige Momentaufnahme der Polarisation an jedem Pixel.
Der Aufsatz könnte zur Verbesserung des maschinellen Sehens in Fahrzeugen oder in biometrischen Sensoren für Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden.
„Diese Metaoberflächenbefestigung ist unglaublich vielseitig“, sagte Paul Chevalier, Postdoktorand bei SEAS und Co-Erstautor der Studie. „Es ist eine Komponente, die in einer Vielzahl von optischen Systemen eingesetzt werden könnte, von raumgroßen Teleskopen bis hin zu winzigen Spionagekameras, wodurch der Anwendungsbereich für Polarisationskameras erweitert wird.“
Noah A. Rubin et al, Bildgebende Polarimetrie durch Metaoberflächen-Polarisationsgitter, Optik Express (2022). DOI: 10.1364/OE.450941