1935年，当第一部采用先进的三色彩色技术制作的全长电影首映时，《纽约时报》宣称，“它让观众产生了站在山峰上，瞥见一个陌生的、美丽的、意想不到的新世界的所有兴奋感。”
人眼的结构可以辨别光和颜色。然而，我们没有能力看到偏振，也就是光振动的方向。但是极化可以提供大量关于它与之交互的对象的信息。目前，可以看到表面反射光的偏振光的相机被用于检测材料应力，增强目标检测的对比度，以及分析凹痕或划痕的表面质量。
然而，像早期的彩色相机一样，当前一代的偏振敏感相机体积庞大。此外，它们往往依赖于移动部件，而且价格昂贵，严重限制了它们的潜在应用。
现在，哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种高度紧凑的便携式相机，可以在一张照片中拍摄偏振。微型摄像机可以在自动驾驶汽车、机载飞机或卫星的视觉系统中找到一席之地，用于研究大气化学，或用于探测伪装的物体。
这项研究发表在《科学》杂志上。
“这项研究改变了成像领域的游戏规则，”罗伯特l华莱士(Robert L. Wallace)应用物理学教授、海洋电子工程高级研究员文顿海耶斯(Vinton Hayes)说。“大多数相机通常只能检测光的强度和颜色，但无法看到偏振。这款相机是对现实的新视角，让我们能够揭示光线是如何被我们周围的世界反射和传播的。”
“偏振是光的一种特征，光在反射到表面后会发生变化，”海洋研究所博士后、该研究的合著者保罗·谢瓦利埃(Paul Chevalier)说。“基于这种变化，偏振可以帮助我们对物体进行三维重建，估计其深度、纹理和形状，并将人造物体与自然物体区分开来，即使它们的形状和颜色相同。”
为了解开这个两极分化的强大世界，卡帕索和他的团队利用了元表面的潜力。元表面是一种纳米级结构，在波长大小的尺度上与光相互作用。
“如果我们想测量光的偏振状态,我们需要采取一些照片不同的极化方向,”诺亚鲁宾说,该论文的第一作者研究生在卡帕索实验室。”以前的设备使用移动部件或发送光沿多条路径获得多个映像,导致庞大的光学。一种较新的策略使用特殊图案的相机像素，但是这种方法不能测量全偏振状态，并且需要一个非标准的成像传感器。在这项工作中，我们能够获得所有需要的光学元件，并将它们集成到一个单一的、简单的带有元表面的设备中。”
由于对偏振光如何与物体相互作用有了新的理解，研究人员设计了一种元表面，它使用一系列亚波长间隔的纳米粒子——可以组合成晶格的微小结构——来根据偏振光的偏振方向引导光线。然后光线形成四幅图像，每幅图像都显示了偏振的不同方面。把它们合在一起，就能得到每个像素处偏振的完整快照。
该设备本身大约两厘米长，并不比智能手机上的摄像头更复杂。它有一个附加的镜头和保护套，占据了一个小饭盒的空间。研究人员对这款相机进行了测试，以显示注射成型塑料物体的缺陷，并把它拿出来拍摄汽车挡风玻璃上的偏振，甚至还用自拍来演示偏振相机是如何将人脸的三维轮廓可视化的。
鲁宾说:“这项技术可以集成到现有的成像系统中，比如你手机或汽车上的成像系统，从而使偏振成像得到广泛应用，并实现以前没有预见到的新应用。”
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卡帕索说:“这项研究为相机技术开辟了一个令人兴奋的新方向，使我们能够设想在大气科学、遥感、人脸识别、机器视觉等领域的应用。”
哈佛大学技术发展办公室已经保护了与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化机会。
这项研究由Gabriele D ‘Aversa, Shi Zhujun和Wei Ting Chen共同完成。它是由国家科学基金会，空军科学研究办公室，一个物理科学和来自哈佛大学技术发展办公室、谷歌加速科学和阿卜杜拉国王科技大学的工程加速器拨款。这项工作的一部分是在哈佛大学纳米系统中心完成的。
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