Le aziende hanno investito molto per migliorare il colore nell’imaging digitale, ma la lunghezza d’onda è solo una delle proprietà della luce. Anche la polarizzazione, ovvero il modo in cui il campo elettrico oscilla durante la propagazione della luce, è ricca di informazioni, ma l'imaging di polarizzazione rimane per lo più confinato in ambienti di laboratorio da tavolo, facendo affidamento su ottiche tradizionali come piastre d'onda e polarizzatori su ingombranti supporti rotazionali.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un sistema di imaging di polarizzazione compatto a scatto singolo in grado di fornire un quadro completo della polarizzazione.

Utilizzando solo due metasuperfici sottili, il sistema di imaging potrebbe sbloccare il vasto potenziale dell’imaging di polarizzazione per una gamma di applicazioni esistenti e nuove, tra cui l’imaging biomedico, i sistemi di realtà aumentata e virtuale e gli smartphone. La ricerca è pubblicata su Nature Photonics .

"Questo sistema, privo di parti mobili o di ottiche di polarizzazione di massa, consentirà applicazioni nell'imaging medico in tempo reale, nella caratterizzazione dei materiali, nella visione artificiale, nel rilevamento di target e in altre aree importanti", ha affermato Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di fisica applicata e ricercatore senior di Vinton Hayes in ingegneria elettrica presso la SEAS e autore senior dell'articolo.

In una ricerca precedente, Capasso e il suo team hanno sviluppato una fotocamera a polarizzazione compatta, prima nel suo genere, per catturare le cosiddette immagini Stokes, immagini della firma della polarizzazione riflessa da un oggetto, senza controllare l'illuminazione incidente.

"Proprio come l'ombra o anche il colore di un oggetto possono apparire diversi a seconda del colore dell'illuminazione incidente, la firma della polarizzazione di un oggetto dipende dal profilo di polarizzazione dell'illuminazione", ha affermato Aun Zaidi, un recente Ph.D. laureato del gruppo di Capasso e primo autore dell'articolo.

"A differenza dell'imaging di polarizzazione convenzionale, l'imaging di polarizzazione 'attiva', noto come imaging della matrice di Mueller, può catturare la risposta di polarizzazione più completa di un oggetto controllando la polarizzazione incidente."

Attualmente, l'imaging con matrice di Mueller richiede una configurazione ottica complessa con più piastre rotanti e polarizzatori che catturano in sequenza una serie di immagini che vengono combinate per realizzare una rappresentazione a matrice dell'immagine.

Il sistema semplificato sviluppato da Capasso e dal suo team utilizza due metasuperfici estremamente sottili:una per illuminare un oggetto e l'altra per catturare e analizzare la luce dall'altra parte.

La prima metasuperficie genera quella che è nota come luce strutturata polarizzata, in cui la polarizzazione è progettata per variare spazialmente secondo uno schema unico. Quando questa luce polarizzata si riflette o si trasmette attraverso l'oggetto illuminato, il profilo di polarizzazione del raggio cambia. Questo cambiamento viene catturato e analizzato dalla seconda metasuperficie per costruire l'immagine finale, in un unico scatto.

La tecnica consente l’imaging avanzato in tempo reale, importante per applicazioni come la chirurgia endoscopica, il riconoscimento facciale negli smartphone e il tracciamento oculare nei sistemi AR/VR. Potrebbe anche essere combinato con potenti algoritmi di apprendimento automatico per applicazioni nella diagnostica medica, nella classificazione dei materiali e nei prodotti farmaceutici.

"Abbiamo riunito due campi apparentemente separati di luce strutturata e imaging polarizzato per progettare un unico sistema in grado di catturare le informazioni di polarizzazione più complete.

"Il nostro utilizzo di metasuperfici nanoingegnerizzate, che sostituiscono molti componenti che sarebbero tradizionalmente necessari in un sistema come questo, ne semplifica notevolmente la progettazione", ha affermato Zaidi.

"Il nostro sistema compatto e a scatto singolo fornisce un percorso praticabile per l'adozione diffusa di questo tipo di imaging per potenziare le applicazioni che richiedono imaging avanzato", ha affermato Capasso.