Поляризаційна система реєстрації зображень на основі метаповерхонь
Поляризаційна система реєстрації зображень на основі метаповерхонь
Поляризація світла, розсіяного об’єктом, надає багато інформації про об’єкт. Однак методики, які відображають цю поляризацію складно реалізувати поза лабораторними умовами. Дослідники з Гарвардського університету, США, розв’язали цю проблему, розробивши компактну систему поляризаційного зображення, яка може за один знімок отримувати всі 16 компонентів просторово змінної матриці Мюллера об’єкта. Нова система замінює багато елементів традиційних систем метаповерхнями.
Поляризація світла, розсіяного об’єктом, залежить від поляризації світла, яке його освітлює. Класична система матричного зображення Мюллера працює, контролюючи поляризацію падаючого світла, і на даний момент це найповніший метод реєстрації поляризаційних зображень, який відкриває інформацію, яку було б неможливо отримати за допомогою традиційних (не поляризаційних) зображень. Однак цей метод складно реалізувати на практиці, оскільки для цього потрібен складний апарат, який використовує кілька обертових пластин і поляризаторів для реєстрації послідовності зображень, які потім об’єднуються для створення матриці.
Нова система, розроблена науковцями з Гарвардського університету, набагато простіша. В її основі – дві метаповерхні – штучно створені ультратонкі плівки, виготовлені з масивів крихітних діелектричних структур, відокремлених одна від одної відстанями, меншими за довжину хвилі вхідного світла.
Коли світло проходить через дві метаповерхні, його властивості – такі як амплітуда, фаза та поляризація – змінюються. Перша поверхня генерує те, що називається поляризованим структурованим світлом, у якому поляризація просторово змінюється за певним шаблоном. Коли це поляризоване світло відбивається або проходить через об’єкт, поляризація цього структурованого променя змінюється. Ця зміна фіксується та аналізується другою метаповерхнею для створення остаточного зображення – за один знімок.
Метаповерхні, створені методами наноінженерії, значно спрощують дизайн системи. Система не містить жодних рухомих частин або об’ємних поляризаційних елементів. Очікується, що вона дозволить робити медичні зображення в реальному часі, характеризацію матеріалів, машинне бачення та виявлення цілей, системи доповненої та віртуальної реальності, наприклад, для реалізації функції FaceID у смартфонах і стеження за очима тощо. У біомедицині це може бути візуалізація зразків живої тканини в мікроскопії, поляриметрична ендоскопічна візуалізація, сканування сітківки ока та неінвазивна або мінімально інвазивна візуалізація ракових пухлин.
Завдяки високій часовій роздільній здатності та гнучкості цю техніку також можна використовувати для створення великих наборів даних для навчання нейронних мереж у програмах класифікації машинного навчання. Крім цього, така вимірювальна система також може бути корисною для фундаментальних досліджень.
Zaidi, A., Rubin, N.A., Meretska, M.L. et al. Metasurface-enabled single-shot and complete Mueller matrix imaging. Nat. Photon. 18, 704–712 (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01426-x
Авторська версія на arXiv: https://arxiv.org/pdf/2305.08704
