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Il New York Times nel 1935 quando fu presentato in anteprima il primo lungometraggio realizzato con l’avanzato processo a tre colori del Technicolor, dichiarò: “Nello spettatore ha prodotto tutta l’emozione di stare in piedi su una vetta e intravedere un nuovo mondo bello, strano e inaspettato”.

Technicolor ha cambiato per sempre il modo in cui le macchine fotografiche – e le persone – hanno visto e vissuto il mondo che li circondava. Oggi, c’è una nuova sommità di una scogliera a picco sul mare, offre vedute di un mondo polarizzato.

Un mondo invisibile all’occhio umano

La polarizzazione, la direzione in cui la luce vibra, è invisibile all’occhio umano (ma visibile ad alcune specie di gamberi e insetti), fornisce una grande quantità d’informazioni sugli oggetti con cui interagisce. Le telecamere che vedono la luce polarizzata attualmente sono utilizzate per rilevare lo stress del materiale, migliorare il contrasto per il rilevamento di oggetti, e analizzare la qualità della superficie per osservare ammaccature o graffi.

Le telecamere sensibili alla polarizzazione di ultima generazione come le prime telecamere a colori sono ingombranti, inoltre, spesso si affidano a costose parti in movimento, limitando fortemente la portata della loro potenziale applicazione.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato una fotocamera portatile molto compatta in grado di polarizzare le immagini in un unico scatto. La telecamera in miniatura – circa le dimensioni di un pollice – potrebbe trovare posto nei sistemi di visione di veicoli autonomi, a bordo di aerei o satelliti per studiare la chimica atmosferica, o essere utilizzata per rilevare oggetti mimetizzati.

La ricerca pubblicata su Science dal team della SEAS composto da Federico Capasso, Robert L. Wallace, Vinton Hayes, Paul Chevalier, Noah Rubin, riporta:

«Questa ricerca sta cambiando il mondo dell’imaging. La maggior parte delle fotocamere può rilevare solo l’intensità e il colore della luce, ma non può vedere la polarizzazione; questa nuova fotocamera è un terzo occhio sulla realtà, ci permette di rivelare come la luce è riflessa e trasmessa dal mondo che ci circonda».

Paul Chevalier ha aggiunto:

«La polarizzazione sulla base di questo cambiamento può aiutarci nella ricostruzione 3D di un oggetto, per stimarne la profondità, la consistenza e la forma, e per distinguere gli oggetti artificiali da quelli naturali, anche se sono della stessa forma e colore».

Federico Capasso e il suo team per sprigionare quel potente mondo di polarizzazione, hanno sfruttato le potenzialità delle metasuperfici, strutture in nanoscala che interagiscono con la luce a lunghezza d’onda a livello dei milionesimi di millimetro (nanometri).

Noah Rubin ha detto:

«Se vogliamo misurare lo stato di piena polarizzazione della luce, dobbiamo scattare più foto lungo diverse direzioni di polarizzazione. I dispositivi precedenti utilizzavano parti in movimento o inviavano la luce lungo percorsi multipli per acquisire le immagini multiple, dando luogo a ottiche ingombranti. La strategia più recente utilizza pixel speciali della fotocamera, ma questo metodo non misura l’intero stato di polarizzazione, richiede un sensore d’imaging non standard.

Il nostro studio ha permesso di prendere tutte le ottiche necessarie e integrarle in un unico, semplice dispositivo con una metasuperficie».

I ricercatori utilizzando una nuova comprensione di come la luce polarizzata interagisce con gli oggetti, per dirigere la luce in base alla sua polarizzazione hanno progettato una metasuperficie che utilizza una serie di distanziati nanopilastri di lunghezza d’onda secondaria. La luce forma quindi quattro immagini, ognuna delle quali mostra un aspetto diverso della polarizzazione. Prese insieme queste immagini a ogni pixel forniscono un’istantanea completa della polarizzazione.

Il dispositivo è lungo circa due centimetri, non è più complicato di una fotocamera su uno smartphone; con una lente attaccata e una custodia protettiva, ha circa le dimensioni di un piccolo contenitore per il pranzo.

I ricercatori hanno testato la fotocamera per rilevare i difetti in oggetti di plastica stampati a iniezione; l’hanno portata all’esterno per filmare la polarizzazione fuori dal parabrezza dell’auto e hanno persino preso dei selfie per dimostrare come una telecamera di polarizzazione può visualizzare i contorni 3D di un volto.

Noah Rubin ha detto:

«Questa tecnologia potrebbe essere integrata in sistemi d’imaging esistenti, come quello del cellulare o dell’auto, consentendo la diffusa adozione d’immagini di polarizzazione e nuove applicazioni in precedenza non previste».

Federico Capasso in conclusione ha detto:

«La nostra ricerca apre una nuova opportunità per la tecnologia delle telecamere con una compattezza senza precedenti, consentendoci di immaginare applicazioni nella scienza dell’atmosfera, nel telerilevamento, nel riconoscimento facciale, nella visione artificiale (è l’estrazione automatica d’informazioni da immagini digitali. Un tipico ambiente di visione delle macchine sarebbe una linea di produzione in cui centinaia di prodotti scorrono lungo un nastro trasportatore davanti a una telecamera intelligente) e altro ancora».