Вчені розробили портативну камеру без рухомих частин, яка вимірює відразу всі чотири параметри Стокса, тобто здатна отримувати всю інформацію про поляризацію прийманого випромінювання. Як основний оптичний елемент використовується металінза, тобто плоска мікроструктурована поверхня, здатна потрібним чином спотворювати хвильовий фронт світла. Достоїнствами приладу є його невеликі габарити (порівняно з іншими поляризаційними камерами) і відсутність рухомих частин, що значно збільшує надійність, пишуть автори в журналі.
Поляризація - це одна з основних характеристик будь-яких поперечних хвиль, у тому числі електромагнітних. Ця величина характеризує орієнтацію площини коливання хвилі (у разі світла це коливання вектора напруженості електричного поля) щодо осі поширення. Людське око нездатне сприймати поляризацію, але деякі тварини здатні на це, що дозволяє їм отримувати додаткову інформацію про навколишнє середовище.
Випромінювання може бути не поляризоване - таким, зокрема, є природне світло зірок, у тому числі Сонця, буває лінійно поляризоване світло, світло з круговою поляризацією і в загальному випадку з еліптичною поляризацією. Ступінь поляризації може приймати значення від 0 (неполяризоване випромінювання) до 1 (повністю поляризоване). Світло та його поляризацію можна описати за допомогою ступеня поляризації та орієнтації її еліпса або альтернативним способом за допомогою чотирьох параметрів Стокса.
Найпростіші прилади, що працюють з поляризацією, - це поляризаційні фільтри, що пропускають світло лише певної поляризації, наприклад, тільки лінійної і тільки з конкретною орієнтацією. Зокрема, якщо надіти поляризаційні окуляри, то можна побачити зміни у відображених від деяких поверхнях зображеннях, а у деяких матеріалів проступить прихована текстура: так можна побачити спеціально створені варіації механічної напруги автомобільних скла, які зроблені для контрольованого розтріскування.
Тим не менш, отримання вичерпної інформації про поляризацію світла важко, так як необхідно провести чотири самостійних вимірювання. Найпростіша схема передбачає використання трьох поляризаційних фільтрів і чвертьвильової платівки. Перші два фільтри пропускають лінійну поляризацію і орієнтовані під кутом в 90 градусів один до одного. Їх комбінація дозволяє розрізнити будь-які напрямки лінійної поляризації, крім двох діагональних. Для них ставиться третій фільтр під іншим кутом. Кругова поляризація може бути перетворена на лінійну за допомогою чвертьвильової платівки і так само проаналізована.
Ця схема вимагає або змінних фільтрів, або обертового барабана з фільтрами, щоб через них знімати з невеликою затримкою кілька кадрів. У будь-якому випадку виходить складна, об'ємна і навантажена механічними деталями камера, яка не підходить для багатьох застосувань, де важливі маленькі габарити і вага, наприклад, для аерофотозйомки з дронів.
Вчені з Гарварду під керівництвом Федеріко Капассо (Federico Capasso) розробили нову оптику, яка дозволяє вимірювати відразу всі компоненти поляризації без механічних частин. Основним елементом нового приладу є металінза, тобто поверхня, покрита структурами порівнянного з довжиною хвилі розміру, які певним чином перетворюють світло. Капассо є одним з піонерів прикладних розробок у цій області, про що можна послухати в його власній короткій лекції.
Автори роботи запропонували як загальний теоретичний підхід для роботи з поляризацією, так і застосували його на практиці. Їх прилад розкладає вхідний потік на чотири пучки, кожен з яких отриманий начебто проходженням через відповідний поляризаційний фільтр. Таким чином, можна отримати одночасно інформацію про всі чотири параметри Стокса в кожному пікселі зображення і кожному кадрі, причому навіть у режимі відео. Дослідники відзначають, що можлива реалізація довільних поляризаційних фільтрів.
Весь інструмент складається з металінзи, що розкладає світло за поляризаціями, звичайної лінзи для побудови зображення і звичайної сучасної КМОП-матриці в якості детектора. Металінза виглядає як плаский диск діаметром близько сантиметра, а вся схема разом з корпусом виглядає як невелика коробочка. У інструменті втрачається менше половини інтенсивності світла, що фізики називають більш ніж прийнятним для більшості застосувань.
Автори вже протестували розробку як в умовах вуличного освітлення, так і в приміщенні, і залишилися задоволені результатом. Вони відзначають, що така камера може знайти застосування в області досліджень атмосфери, дистанційного зондування, розпізнавання осіб, машинного зору і багатьох інших.
Раніше вчені змогли розділити фотони на «лівих» і «правих» за допомогою металінзи, домоглися за їх участю контролю над напрямком випромінювання і сфокусували світло в усьому видимому діапазоні. Водночас металінзи за деякими параметрами лише зараз починають наздоганяти традиційну оптику.