Wetenschap
Onderzoekers onthullen single-shot en compleet polarisatiebeeldvormingssysteem met behulp van metasurfaces
Denk eens aan alle informatie die we krijgen op basis van hoe een object interageert met golflengten van licht, ook wel kleur genoemd. Kleur kan ons vertellen of voedsel veilig is om te eten of dat een stuk metaal heet is. Kleur is een belangrijk diagnostisch hulpmiddel in de geneeskunde en helpt artsen bij het diagnosticeren van ziek weefsel, ontstekingen of problemen met de bloedstroom.
Bedrijven hebben zwaar geïnvesteerd om de kleur in digitale beeldverwerking te verbeteren, maar golflengte is slechts één eigenschap van licht. Polarisatie (hoe het elektrische veld oscilleert terwijl licht zich voortplant) is ook rijk aan informatie, maar polarisatiebeeldvorming blijft grotendeels beperkt tot laboratoriumopstellingen op tafel, waarbij gebruik wordt gemaakt van traditionele optica zoals golfplaten en polarisatoren op omvangrijke roterende steunen.
Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een compact, single-shot polarisatiebeeldvormingssysteem ontwikkeld dat een compleet beeld van polarisatie kan geven.
Door slechts twee dunne metasurfaces te gebruiken, zou het beeldvormingssysteem het enorme potentieel van polarisatiebeeldvorming kunnen ontsluiten voor een reeks bestaande en nieuwe toepassingen, waaronder biomedische beeldvorming, augmented en virtual reality-systemen en smartphones. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics .
"Dit systeem, dat vrij is van bewegende delen of bulkpolarisatie-optica, zal toepassingen mogelijk maken op het gebied van real-time medische beeldvorming, materiaalkarakterisering, machinevisie, doeldetectie en andere belangrijke gebieden", aldus Federico Capasso, directeur van Robert L. Wallace. Hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel.
In eerder onderzoek ontwikkelden Capasso en zijn team een compacte polarisatiecamera, de eerste in zijn soort, om zogenaamde Stokes-beelden vast te leggen, beelden van de polarisatiesignatuur die weerkaatst door een object, zonder de invallende verlichting te controleren.
"Net zoals de tint of zelfs de kleur van een object er anders uit kan zien, afhankelijk van de kleur van de invallende verlichting, hangt de polarisatiesignatuur van een object af van het polarisatieprofiel van de verlichting", zegt Aun Zaidi, recentelijk gepromoveerd. afgestudeerd aan de Capasso-groep en eerste auteur van het artikel.
"In tegenstelling tot conventionele polarisatiebeeldvorming kan 'actieve' polarisatiebeeldvorming, bekend als Mueller-matrixbeeldvorming, de meest complete polarisatiereactie van een object vastleggen door de invallende polarisatie te beheersen."
Momenteel vereist Mueller-matrixbeeldvorming een complexe optische opstelling met meerdere roterende platen en polarisatoren die opeenvolgend een reeks beelden vastleggen die worden gecombineerd om een matrixrepresentatie van het beeld te realiseren.
Het vereenvoudigde systeem dat door Capasso en zijn team is ontwikkeld, maakt gebruik van twee extreem dunne metasurfaces:één om een object te verlichten en de andere om het licht aan de andere kant op te vangen en te analyseren.
Het eerste metasurface genereert wat bekend staat als gepolariseerd gestructureerd licht, waarbij de polarisatie is ontworpen om ruimtelijk te variëren in een uniek patroon. Wanneer dit gepolariseerde licht weerkaatst of door het te verlichten object heen dringt, verandert het polarisatieprofiel van de straal. Die verandering wordt vastgelegd en geanalyseerd door het tweede metasurface om het uiteindelijke beeld te construeren – in één opname.
De techniek maakt realtime geavanceerde beeldvorming mogelijk, wat belangrijk is voor toepassingen zoals endoscopische chirurgie, gezichtsherkenning in smartphones en eye-tracking in AR/VR-systemen. Het kan ook worden gecombineerd met krachtige machine learning-algoritmen voor toepassingen in de medische diagnostiek, materiaalclassificatie en farmaceutische producten.
"We hebben twee schijnbaar afzonderlijke velden van gestructureerd licht en gepolariseerde beeldvorming samengebracht om één enkel systeem te ontwerpen dat de meest complete polarisatie-informatie vastlegt.
"Ons gebruik van nano-engineered metasurfaces, die veel componenten vervangen die traditioneel nodig zouden zijn in een systeem als dit, vereenvoudigt het ontwerp ervan aanzienlijk", aldus Zaidi.
"Ons single-shot en compacte systeem biedt een haalbaar pad voor de wijdverspreide adoptie van dit soort beeldvorming om toepassingen mogelijk te maken die geavanceerde beeldvorming vereisen", aldus Capasso.