Камера дозволяє побачити невидимий світ

02.08.2019

Портативна поляризаційно-чутлива камера може використовуватися в системах машинного зору, автономних транспортних засобах, засобах безпеки, атмосферній хімії та в багатьох інших застосуваннях.

Гарвардська школа інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона

Коли в 1935 році відбулася прем'єра першого повнометражного фільму з передовим трикольоровим процесом "Техніколор", газета The New York Times заявила, що "він відтворив у глядача все хвилювання людини, що стоїть на вершині ... і мерехтіння дивного, прекрасного і несподіваного нового світу".

Процес "Техніколор" назавжди змінив те, як камери - і люди - бачили і відчували світ навколо них. Сьогодні існує нове урвище – пропонується поглянути на поляризований світ.

Поляризація, напрямок, в якому відбуваються світлові коливання, є невидимою для людського ока (але видима для деяких видів креветок і комах). Проте вона надає багато інформації про об'єкти, з якими взаємодіє світло. Камери, які бачать поляризоване світло, наразі використовуються для виявлення напружень матеріалу, підвищення контрастності для виявлення об'єктів, а також аналізу якості поверхні щодо наявності вм'ятин або подряпин.

Поляризація, напрямок, в якому відбуваються світлові коливання, є невидимою для людського ока,
проте надає багато інформації про об'єкти, з якими взаємодіє світло.
Наприклад, поляризоване світло висвітлює дефекти цієї пластикової ложки.
Джерело: Гарвард SEAS

Однак, як і ранні кольорові камери, сучасні покоління чутливих до поляризації камер є громіздкими. Більш того, вони часто залежать від рухомих частин і є дорогими, суттєво обмежуючи сферу їх потенційного застосування.

Так, дослідники в Гарвардській школі інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) розробили дуже компактну, портативну камеру, здатну створювати поляризаційне зображення в одному знімку. Мініатюрна камера - розміром з дюйм - змогла знайти місце в системах зору автономних транспортних засобів, на борту літаків або супутників для вивчення атмосферної хімії, або для того, щоб бути використаною для виявлення замаскованих об'єктів.

Дослідження публікується в журналі " Science".

"Це дослідження є новаторським для процесу отримання зображень", сказав Федеріко Капассо, Роберт Л. Уоллес професор прикладної фізики, Вінтон Хейес старший дослідник з електротехніки в SEAS, який є головним автором статті. "Більшість камер, як правило, можуть тільки визначати інтенсивність і колір світла, але не можуть бачити поляризацію. Ця камера є новим поглядом на реальність, що дозволяє нам виявляти, як світло відбивається і передається навколишнім світом".

"Поляризація - це характеристика світла, що змінюється під час відбивання від поверхні", - говорить Пол Шевальє, науковий співробітник з SEAS і співавтор дослідження. "На основі цієї зміни поляризація може допомогти нам у 3D-реконструкції об'єкта, оцінити його глибину, текстуру і форму, а також відрізнити штучні об'єкти від природних, навіть якщо вони мають однакову форму і колір".

Щоб розкрити потужний світ поляризації, Капассо і його команда використали потенціал метаповерхонь, нанорозмірних структур, які взаємодіють зі світлом на масштабах порядку довжини хвилі.

"Якщо ми хочемо виміряти повний поляризаційний стан світла, нам потрібно зробити декілька знімків у різних напрямках поляризації", - заявив Ной Рубін, перший спів-автор статті і аспірант в лабораторії Капассо. "Попередні пристрої або використовували рухомі частини, або посилали світло уздовж декількох напрямків, щоб отримати декілька зображень, що призводило до використання громіздкої оптики. У новій стратегії використовуються спеціальна схема пікселів у камері, але цей підхід не вимірює повний стан поляризації і вимагає нестандартного датчика зображення. У цій роботі нам вдалося підібрати всі необхідні оптичні елементи та інтегрувати їх у єдиний, простий пристрій з метаповерхнею."

Використовуючи нове розуміння того, як поляризоване світло взаємодіє з об'єктами, дослідники розробили метаповерхню, яка використовує масив наностовпчиків, розташованих на відстані, меншій довжини хвилі, щоб спрямовувати світло залежно від його поляризації. Потім світло формує чотири зображення, кожне з яких показує інший напрямок поляризації. Взяті разом, вони дають повний моментальний знімок поляризації на кожному пікселі.

Пристрій має довжину близько двох сантиметрів і є нескладнішим, ніж камера в смартфоні. З прикріпленим об'єктивом і захисним футляром, пристрій має розмір невеликої коробки для обіду. Дослідники випробували камеру, щоб показати дефекти в пластикових об'єктах, виготовлених литтям під тиском, винесли її назовні, щоб зняти поляризацію з вітрового скла автомобіля і навіть зробили селфі, щоб продемонструвати, як поляризаційна камера може візуалізувати 3D контури обличчя.

"Ця технологія може бути інтегрована в існуючі системи отримання зображення, наприклад, як у вашому мобільному телефоні або автомобілі, що дає можливість широко розповсюдити отримання поляризаційних зображень та нові застосування, які раніше не були передбачені", - сказав Рубін.

"Це дослідження відкриває захоплюючий новий напрям розвитку технологій виготовлення безпрецедентно компактних камер, що дозволяє уявити нам їх застосування в науці про атмосферу, дистанційному зондуванні, розпізнаванні облич, машинному зорі і багато іншого", - сказав Капассо.

Гарвардське бюро розвитку технологій захищає інтелектуальну власність, пов'язану з цим проектом, і вивчає можливості комерціалізації.
Дослідження проводилось у співавторстві з Габріеле Д'Аверса, Чжуцзюнь Ши і Вей Тін Чен (Gabriele D'Aversa, Zhujun Shi and Wei Ting Chen).
Було підтримано Національним науковим фондом, Управлінням з наукових досліджень військово-повітряних сил, грантом, спрямованим на прискорення розвитку фізичних наук та техніки, наданим Відділом розвитку технологій Гарвардського університету, Програмою компанії Google Inc. "Google Accelerated Science", що спрямована на прискорення розвитку наукових досліджень, а також Університетом науки і техніки імені короля Абдалли. Ця робота була виконана частково в Гарвардському Центрі нанорозмірних систем.

Оригінал: EurekAlert, The Harvard Gazette
Переклад: Наталія Березовська
Редактор перекладу: Ігор Дмитрук

Пов'язані товари

Повернутися