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二極化した世界をワンショットで明らかに

May, 22, 2024, Cambridge--SEAS研究者は、メタサーフェスを用いたコンパクトなシングルショット完全偏光イメージングシステムを開発した。
物体が光の波長(色)とどのように相互作用するかに基づいて得られるすべての情報について考えてみる。色は、食べ物が安全に食べられるかどうか、または金属片が熱いかどうかを教えてくれる。色は医学における重要な診断ツールであり、開業医が病変組織、炎症、または血流の問題を診断するのに役立つ。

企業はデジタルイメージングの色を改善するために多額の投資を行ってきたが、波長は光の特性の1つにすぎない。偏光(光が伝搬するにつれて電場がどのように振動するか)も豊富な情報を持っているが、偏光イメージングは、波長板やかさばる回転マウント上の偏光子などの従来の光学系に依存しており、ほとんどが卓上の実験室の設定に限定されている。

今回、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部(SEAS)の研究チームは、偏光の全体像を把握できるコンパクトなシングルショット偏光イメージングシステムを開発した。このイメージングシステムは、わずか2つの薄いメタサーフェスを使用することで、生物医学イメージング、拡張現実(AR)および仮想現実(VR)システム、スマートフォンなど、既存および新規の多様なアプリケーションにおいて、偏光イメージングの大きな可能性を解き放つことができる。

この研究成果は、Nature Photonicsに掲載されている。

「可動部品やバルク偏光光学系を一切使用していないこのシステムは、リアルタイムの医用画像処理、材料特性評価、マシンビジョン、ターゲット検出、その他の重要な分野でのアプリケーションを強化する」と、SEASのRobert L. Wallace応用物理学教授兼Vinton Hayes電気工学上級研究員、論文の主任著者Federico Capassoはコメントしている。

以前の研究で、Capassoと同氏のチームは、入射照明を制御することなく、物体に反射する偏光シグネチャの画像、いわゆるストークス画像を取得するための、この種のものとしては初の小型偏光カメラを開発した。

「入射する照明の色によって物体の陰影や色が異なって見えるのと同じように、物体の偏光シグネチャは照明の偏光プロファイルに依存する。従来の偏光イメージングとは対照的に、ミューラー(Mueller)マトリックスイメージングとして知られる「アクティブ」偏光イメージングは、入射偏光を制御することで、物体の最も完全な偏光応答を捉えることができる」と、Capassoのグループで最近博士号を取得し、論文の筆頭著者Aun Zaidiは話している。

現在、ミューラーマトリックスイメージングでは、複数の回転プレートと偏光板を備えた複雑な光学セットアップが必要であり、一連の画像を順番にキャプチャし、それらを組み合わせて画像のマトリックス表現を実現する。

Capassoと同氏のチームが開発した簡略化されたシステムは、2つの非常に薄いメタサーフェスを使用しており、1つは物体を照射し、もう1つは反対側の光を捉えて分析する。

最初のメタサーフェスは、偏光構造化光と呼ばれるものを生成し、偏光は空間的に固有のパターンで変化するように設計されている。この偏光が照射対象物を反射または透過すると、ビームの偏光プロファイルが変化する。その変化は、2番目のメタサーフェスによってキャプチャおよび分析され、最終的な画像が1回のショットで構築される。

この技術により、内視鏡手術、スマートフォンの顔認識、AR/VRシステムのアイトラッキングなどのアプリケーションにとって重要なリアルタイムの高度なイメージングが可能になる。また、強力な機械学習アルゴリズムと組み合わせることで、医療診断、材料分類、医薬品などのアプリケーションへの応用も可能になる。

「われわれは、構造化光と偏光イメージングという一見別々の2つの分野を統合し、最も完全な偏光情報を取得する単一のシステムを設計した。このようなシステムでは従来必要だった多くのコンポーネントを置き換えるナノエンジニアリングされたメタサーフェスを使用することで、その設計が大幅に簡素化される」(Zaidi)。

「われわれのシングルショットでコンパクトなシステムは、このタイプのイメージングを広く採用し、高度なイメージングを必要とするアプリケーションを強化するための実行可能な道筋を提供する」(Capasso)。

ハーバード大学技術開発局は、このプロジェクトに関連する知的財産をCapasso教授の研究室から保護し、さらなる開発のためにメタレンツに技術をライセンス供与した。