Pesquisadores revelam sistema de imagem de polarização completo e de disparo único usando metassuperfícies
Uma espécie única de besouro, Chrysina gloriosa, tem uma resposta distinta à luz polarizada circularmente refletida em sua concha. Aqui, ele é iluminado pela luz RCP e pela luz LCP (esquerda) e fotografado por uma câmera digital padrão. As imagens de intensidade, justapostas para comparação, mostram que o besouro apresenta uma resposta óptica diferente para as duas polarizações circulares. A imagem bruta do besouro quiral capturada usando o sistema de imagem Mueller Matrix (à direita) tem características espacialmente resolvidas, como o tamanho e a forma da concha, e as estrias (ou linhas) características na concha. Crédito: Aun Zaidi/Harvard SEAS Pense em todas as informações que obtemos com base em como um objeto interage com comprimentos de onda de luz – também conhecido como cor. A cor pode nos dizer se o alimento é seguro para comer ou se um pedaço de metal está quente. A cor é uma importante ferramenta de diagnóstico na medicina, ajudando os médicos a diagnosticar tecidos doentes, inflamações ou problemas no fluxo sanguíneo.
As empresas investiram pesadamente para melhorar as cores na imagem digital, mas o comprimento de onda é apenas uma propriedade da luz. A polarização - como o campo elétrico oscila à medida que a luz se propaga - também é rica em informações, mas as imagens de polarização permanecem principalmente confinadas a ambientes de laboratório de mesa, contando com óptica tradicional, como placas de onda e polarizadores em montagens rotacionais volumosas.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) desenvolveram um sistema compacto de imagem de polarização de disparo único que pode fornecer uma imagem completa da polarização.
Ao usar apenas duas metassuperfícies finas, o sistema de imagem poderia desbloquear o vasto potencial da imagem de polarização para uma gama de aplicações novas e existentes, incluindo imagens biomédicas, sistemas de realidade aumentada e virtual e smartphones. A pesquisa foi publicada na Nature Photonics .
"Este sistema, que é livre de quaisquer peças móveis ou óptica de polarização em massa, capacitará aplicações em imagens médicas em tempo real, caracterização de materiais, visão mecânica, detecção de alvos e outras áreas importantes", disse Federico Capasso, diretor da Robert L. Wallace. Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na SEAS e autor sênior do artigo.
Em pesquisas anteriores, Capasso e sua equipe desenvolveram uma câmera compacta de polarização inédita para capturar as chamadas imagens de Stokes, imagens da assinatura de polarização refletidas em um objeto – sem controlar a iluminação incidente.
“Assim como a sombra ou mesmo a cor de um objeto podem parecer diferentes dependendo da cor da iluminação incidente, a assinatura de polarização de um objeto depende do perfil de polarização da iluminação”, disse Aun Zaidi, um recente Ph.D. graduado pelo grupo de Capasso e primeiro autor do artigo.
"Em contraste com a imagem de polarização convencional, a imagem de polarização 'ativa', conhecida como imagem de matriz Mueller, pode capturar a resposta de polarização mais completa de um objeto, controlando a polarização incidente."
Atualmente, a imagem matricial Mueller requer uma configuração óptica complexa com múltiplas placas rotativas e polarizadores que capturam sequencialmente uma série de imagens que são combinadas para realizar uma representação matricial da imagem.
O sistema simplificado desenvolvido por Capasso e sua equipe utiliza duas metassuperfícies extremamente finas – uma para iluminar um objeto e outra para capturar e analisar a luz do outro lado.
A primeira metassuperfície gera o que é conhecido como luz estruturada polarizada, na qual a polarização é projetada para variar espacialmente em um padrão único. Quando esta luz polarizada é refletida ou transmitida através do objeto iluminado, o perfil de polarização do feixe muda. Essa mudança é capturada e analisada pela segunda metassuperfície para construir a imagem final – em uma única tomada.
A técnica permite imagens avançadas em tempo real, o que é importante para aplicações como cirurgia endoscópica, reconhecimento facial em smartphones e rastreamento ocular em sistemas AR/VR. Também poderia ser combinado com poderosos algoritmos de aprendizado de máquina para aplicações em diagnósticos médicos, classificação de materiais e produtos farmacêuticos.
"Reunimos dois campos aparentemente separados de luz estruturada e imagens polarizadas para projetar um único sistema que captura as informações de polarização mais completas.
"Nosso uso de metasuperfícies de nanoengenharia, que substituem muitos componentes que tradicionalmente seriam necessários em um sistema como este, simplifica muito seu projeto", disse Zaidi.
"Nosso sistema compacto e de disparo único fornece um caminho viável para a adoção generalizada desse tipo de imagem para capacitar aplicações que exigem imagens avançadas", disse Capasso.
