La nouvelle technologie de Harvard ouvre la voie à une vision industrielle avancée

Les scientifiques ont développé un système d’imagerie de polarisation compact, mono-coup et complet utilisant des métasurfaces.

Pensez à toutes les informations que nous obtenons en fonction de la manière dont un objet interagit avec les longueurs d’onde de la lumière, c’est-à-dire la couleur. La couleur peut nous indiquer si un aliment peut être consommé sans danger ou si un morceau de métal est chaud. La couleur est un outil de diagnostic important en médecine, aidant les praticiens à diagnostiquer les tissus malades, les inflammations ou les problèmes de circulation sanguine.

Les entreprises ont investi massivement pour améliorer les couleurs dans l’imagerie numérique, mais la longueur d’onde n’est qu’une propriété de la lumière. La polarisation – la façon dont le champ électrique oscille à mesure que la lumière se propage – est également riche en informations, mais l’imagerie de polarisation reste principalement confinée aux laboratoires de table, s’appuyant sur des optiques traditionnelles telles que des plaques d’onde et des polariseurs sur des montures rotatives volumineuses.

Percée dans l’imagerie de polarisation compacte

Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un système d’imagerie de polarisation compact à un seul coup qui peut fournir une image complète de la polarisation. En utilisant seulement deux métasurfaces minces, le système d’imagerie pourrait libérer le vaste potentiel de l’imagerie par polarisation pour une gamme d’applications existantes et nouvelles, notamment l’imagerie biomédicale, les systèmes de réalité augmentée et virtuelle et les smartphones.

La recherche est publiée dans Photonique naturelle.

« Ce système, exempt de toute pièce mobile ou optique de polarisation en vrac, permettra des applications dans les domaines de l’imagerie médicale en temps réel, de la caractérisation des matériaux, de la vision industrielle, de la détection de cibles et d’autres domaines importants », a déclaré Federico Capasso, directeur général de Robert L. Wallace. Professeur de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l’article.

Lors de recherches antérieures, Capasso et son équipe ont développé une caméra de polarisation compacte, la première en son genre, pour capturer des images dites de Stokes, des images de la signature de polarisation réfléchie par un objet, sans contrôler l’éclairage incident.

Imagerie à polarisation active

« Tout comme la teinte ou même la couleur d’un objet peut apparaître différente en fonction de la couleur de l’éclairage incident, la signature de polarisation d’un objet dépend du profil de polarisation de l’éclairage », a déclaré Aun Zaidi, récemment diplômé d’un doctorat de l’Université Capasso. groupe et premier auteur de l’article. « Contrairement à l’imagerie de polarisation conventionnelle, l’imagerie de polarisation » active « , connue sous le nom d’imagerie matricielle de Mueller, peut capturer la réponse de polarisation la plus complète d’un objet en contrôlant la polarisation incidente. »

Actuellement, l’imagerie matricielle de Mueller nécessite une configuration optique complexe avec plusieurs plaques rotatives et polariseurs qui capturent séquentiellement une série d’images qui sont combinées pour réaliser une représentation matricielle de l’image.

Le système simplifié développé par Capasso et son équipe utilise deux métasurfaces extrêmement fines : l’une pour éclairer un objet et l’autre pour capturer et analyser la lumière de l’autre côté.

La première métasurface génère ce que l’on appelle une lumière structurée polarisée, dans laquelle la polarisation est conçue pour varier spatialement selon un motif unique. Lorsque cette lumière polarisée se reflète ou se transmet à travers l’objet éclairé, le profil de polarisation du faisceau change. Ce changement est capturé et analysé par la deuxième métasurface pour construire l’image finale – en une seule prise.

La technique permet une imagerie avancée en temps réel, ce qui est important pour des applications telles que la chirurgie endoscopique, la reconnaissance faciale dans les smartphones et le suivi oculaire dans les systèmes AR/VR. Il pourrait également être combiné avec de puissants algorithmes d’apprentissage automatique pour des applications dans les domaines du diagnostic médical, de la classification des matériaux et des produits pharmaceutiques.

« Nous avons réuni deux domaines apparemment distincts de la lumière structurée et de l’imagerie polarisée pour concevoir un système unique qui capture les informations de polarisation les plus complètes. Notre utilisation de métasurfaces nano-ingénierie, qui remplacent de nombreux composants qui seraient traditionnellement nécessaires dans un système comme celui-ci, simplifie grandement sa conception », a déclaré Zaidi.

« Notre système compact et à prise unique offre une voie viable pour l’adoption généralisée de ce type d’imagerie afin de renforcer les applications nécessitant une imagerie avancée », a déclaré Capasso.

Le Harvard Office of Technology Development a protégé la propriété intellectuelle associée à ce projet du laboratoire du professeur Capasso et a concédé la technologie sous licence à Metalenz pour un développement ultérieur.

La recherche a été co-écrite par Noah Rubin, Maryna Meretska, Lisa Li, Ahmed Dorrah et Joon-Suh Park. Il a été soutenu par l’Office of Scientific Research de l’Air Force sous le numéro FA9550-21-1-0312, l’Office of Naval Research (ONR) sous le numéro N00014-20-1-2450, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) sous les numéros de récompense 80NSSC21K0799 et 80NSSC20K0318, et la National Science Foundation sous le numéro de récompense. ECCS-2025158.