Teamdemoer gennembrud i analog billedbehandling

Et forskerhold af Vanderbilt-ingeniører, der inkluderer en videnskabsmand ved Oak Ridge National Laboratory, har demonstreret et nyt ultratyndt filter, baseret på metamaterialer, der giver mulighed for analog optisk billedbehandling. Deres arbejde, Flad optik til billeddifferentiering, vises i dag i det videnskabelige tidsskrift, Naturfotonik .

Mens digital billedbehandling er blevet den fremherskende teknik inden for en række videnskabs- og ingeniørdiscipliner, det kræver avancerede computere, plads til at rumme computeren, og betydelig magt.

"Det meste billedbehandling udføres digitalt, men optisk analog behandling har fordelene ved at være lav effekt og høj hastighed, " sagde Jason Valentine, lektor i maskinteknik og vicedirektør for Vanderbilt Institute of Nanoscale Science and Engineering. Mens optisk billedbehandling er blevet udført tidligere, kræver det generelt flere optiske linser, hvilket resulterer i en stor systemstørrelse.

Metamaterialefilteret, den første af slagsen, differentierer det indkommende lys direkte, så man kan afbilde kanterne direkte, eller grænser, af objektet.

"Kantfiltrering er et almindeligt forbehandlingstrin i objektgenkendelse, for eksempel, registrering af kanten af ​​en vognbane for autonome køretøjer. Det kan også bruges til at detektere marginer af tumorer i medicinsk imagination eller til at klassificere cellestørrelse og type i tilfælde af cellesortering til cancerdetektion, " sagde Valentine.

Metamaterialefilteret er baseret på en todimensionel fotonisk krystal fremstillet af silicium, der muliggør direkte billeddannelse af kanterne på et objekt i alle retninger. Den 'nanofotoniske differentiator' kan integreres i et optisk mikroskop eller på en kamerasensor, nemt at tilpasse et eksisterende billedbehandlingssystem.

"En af de primære fordele ved vores tilgang er evnen til at integrere metamaterialet med traditionelle optiske systemer. Som et eksempel, vi byggede et kantdetektionsmikroskop ved blot at placere metamaterialefilteret i et kommercielt optisk mikroskop, " sagde du Zhou, en ph.d. studerende på det tværfaglige materialevidenskabelige program og en af ​​de fire forfattere. Test omfattede billeddannelse af cellerne i løgepidermis, græskarstamme og grisemotoriske nerve.

Filteret-tyndere end et menneskehår-var også integreret med en metamaterialebaseret linse, resulterer i en helt flad, og ultratynd optik, der kan udføre kantbilleddannelse. Dette reducerer yderligere størrelsen af ​​traditionelle optiske systemer, der anvendes til dette formål.

"Nøglefunktionen er muligheden for at udføre billedbehandling med lysets hastighed, uden at der kræves nogen indgangseffekt og gør det i en ekstremt tynd formfaktor, " sagde Valentine. "Dette åbner nye døre for real-time og højhastigheds optisk analog billedbehandling i applikationer som maskinsyn og biologisk billedbehandling."