Роботизированные системы зрения усовершенствуют с помощью устаревшей лампочки

Исследователи из Мичиганского университета, США, доказали, что яркий искривлённый свет можно получить с помощью технологии, схожей с лампой накаливания. Открытие обогатило фундаментальную физику и обещает новые возможности для роботизированных систем зрения и использования в других областях. Статье об открытии посвятили обложку журнала Science.




Соавтор исследования Цзюнь Лу (на верхнем фото) рассказал, что при использовании других методов, таких как электронная или фотонная люминесценция, сложно добиться достаточной яркости при создании искривлённого света. Однако они с коллегами заметили, у них есть старинный способ генерировать эти фотоны, то есть частицы света. При этом не надо добиваться возбуждения фотонов и электронов, как в двух названных выше методах, — достаточно лампочки из тех, которые всё больше выходят из употребления.

Каждый объект, излучающий тепло, в том числе и человек, постоянно испускает фотоны (частицы света) в спектре, соответствующем температуре. Когда температура объекта совпадает с нагревом окружающей среды, он также поглощает эквивалентное количество фотонов — это явление называется излучением абсолютно чёрного тела, потому что чёрный цвет поглощает все частоты фотонов. Абсолютно чёрное тело (АЧТ) — это физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Вольфрамовая нить накаливания в электролампочке намного горячее, чем окружающая её среда. Но согласно закону, определяющему излучение АЧТ (закону Планка), в совокупности видимые фотоны выглядят как белый свет. А если пропустить свет через призму, можно увидеть радугу из фотонов.

Из-за такого же излучения мы видим нагретые части объектов и живых существ в ярких цветах на тепловых снимках (изображение страусов ниже). Но даже при комнатной температуре объекты постоянно испускают и поглощают фотоны АЧТ, хотя и выглядят на подобных снимках слабо видимыми.



Как правило, форма объекта, испускающего излучение, не имеет большого значения, но в физике его чаще представляют в виде сферы. Но хотя от формы не зависит длина волн различных фотонов, форма способна влиять на другое свойство — поляризацию, то есть на распределение в пространстве.

Обычно фотоны, испускаемые АЧТ, поляризованы случайным образом, так что их волны могут колебаться вдоль любой оси. Новое исследование показало, что если бы излучатель был закручен на микро- или наноуровне, а длина каждого витка спирали была бы равна длине волны испускаемого света, то излучение АЧТ тоже было бы закрученным. Сила закручивания света, или его эллиптическая поляризация, зависела от двух основных факторов: насколько длина волны фотона близка к длине каждого витка, и от электронных свойств материала — в данном случае наноуглерода или металла.

Закрученный свет также называют хиральным (различающимся примерно как правая и левая рука), потому что вращение по часовой стрелке и против часовой стрелки — зеркальные отражения друг друга.

Физики из Мичигана провели исследование, чтобы заявить о планах заняться более прикладным проектом, суть которого — использование хирального излучения АЧТ для распознавания объектов. Учёные мечтают создать роботов, в том числе беспилотные автомобили, которые смогут различать световые волны с разными направлениями вращения и степенью скрученности.


— Николас Котов, профессор в области химических наук и инженерии, директор Центра комплексных частиц и систем частиц (COMPASS) при Национальном научном фонде.

Котов добавил, что открытие, например, может пригодиться для беспилотного автомобиля, чтобы машина различала на дороге оленей и людей. И те, и другие излучают свет с одинаковой длиной волны, но с разной закрученностью, потому что строение оленьего меха отличается от поверхности человеческого тела.

Хотя яркость является основным преимуществом нового метода получения закрученного света — он в 100 раз ярче, чем при использовании других подходов, — свет включает в себя широкий спектр как длин волн, так и типов поляризации. У команды есть также идеи насчёт того, как решить эту проблему, в том числе относительно возможности создания лазера, который использует светоизлучающие структуры с закрученным светом.

А ещё Котов хочет продолжить исследования в инфракрасном спектре. Максимальная длина волны излучения абсолютно чёрного тела при комнатной температуре — примерно 10 000 нанометров, или 0,01 миллиметра. И хотя в этой области спектра много помех, профессор всё же видит шансы повысить контрастность за счёт эллиптической поляризации.