「偏光」を見ることができる携帯型カメラの開発

・光の偏光を一発で撮影し、光の反射や透過の様子を見ることができる小型のカメラが開発された。
・物体の形状、奥行き、質感を計測し、3次元的に再構成することができる。
・スマートフォンや自律走行車への搭載が可能。

光は電磁波の一種で、真空の宇宙空間を進むことができる、と多くの人が学校で習います。しかし、多くの人が知らないのは、光には偏光と呼ばれる方向があることです。偏光した光の波（1つの平面で振動している）は、直線、円、楕円のいずれかになります。

人間は偏光を肉眼では見ることができません（ただし、ある種の昆虫やエビは見ることができます）。偏光のメカニズムを理解し、操作することは、いくつかの光学的応用にとって極めて重要なことです。

たとえば、偏光をとらえるカメラは、金属応力の識別、傷やへこみなどの表面品質の検査、物体検出のためのコントラスト増強などに使用されています。それでも、既存の偏光センサー付きカメラは、かさばる上にコストが高く、可動部品に依存しているため、その応用範囲は限定的でした。

このほど、ハーバード大学の研究者らは、光の偏光を1回で撮影できる、非常にコンパクトで持ち運びに便利なカメラを開発しました。光の色や強さだけを検出する現世代のカメラとは異なり、この新しいカメラは、光がどのように反射し、どのように透過するかを明らかにするものです。

この研究は、視覚システムに革命をもたらすことができます。新しく開発されたカメラは、スマートフォン、自律走行車、航空機搭載、人工衛星と統合して、大気化学を分析することができます。また、カモフラージュされた部品を識別するためにも使用できます。

偏光のパワフルな世界を解き明かす

偏光とその測定は、科学と画像技術のほとんどすべての分野で注目されています。偏光は、物体の3D再構成を可能にし、物体の形状、深さ、質感を決定するのに役立っています。また、たとえ同じ形や色であっても、自然物と人工物を区別することができます。

物体の無偏光状態と偏光状態
出典：研究者

この研究で研究者たちは、ナノスケール（波長サイズレベル）で光と相互作用する微小構造体であるメタ表面【入射した電波の反射波の位相制御を可能とした人工表面】を活用しました。すべての必須光学系を、メタ表面を用いた1つのシンプルな装置に統合したのです。

研究チームは、偏光光の特性を詳細に分析し、サブ波長異方性構造を用いて、可視周波数で調整可能な偏光制御を行うメタ表面を開発しました。

光は4枚の画像を生成し、それぞれの画像はユニークな偏光特性を示します。これらの画像を組み合わせることで、各ピクセルにおける偏光の完全なスナップショットを得ることができます。

この新しい装置は、スマートフォンのカメラほど複雑なものではありません。長さはわずか2センチで、レンズと保護ケースを含む画像処理システム全体は、ほぼlaunch box【ゲームアプリのアイコン】の大きさです。

研究チームは、この軽量な装置を用いて射出成形されたプラスチックの欠陥を検出し、様々な画像を撮影して、3次元の輪郭をいかに効果的に可視化できるかを実証しました。

今回の成果は、マシンビジョン【人の目の代わりに画像を認識し、位置決めや種別、計測、検査を行うシステム】、顔認識、リモートセンシング、大気科学などへの応用を可能にする小型カメラ技術に新たな道を開くものです。