Forskere bruger roterende metasurfaces til at lave et kompakt termisk billeddannelsessystem

Forskere har udviklet en ny teknologi, der bruger meta-optiske enheder til at udføre termisk billeddannelse. Tilgangen giver rigere information om afbildede objekter, hvilket kan udvide brugen af ​​termisk billeddannelse inden for områder som autonom navigation, sikkerhed, termografi, medicinsk billeddannelse og fjernmåling.

"Vores metode overvinder udfordringerne ved traditionelle spektrale termiske billedkameraer, som ofte er voluminøse og sarte på grund af deres afhængighed af store filterhjul eller interferometre," sagde leder af forskningsteamet Zubin Jacob fra Purdue University. "Vi kombinerede meta-optiske enheder og banebrydende billedbehandlingsalgoritmer for at skabe et system, der er både kompakt og robust, samtidig med at det har et stort synsfelt."

I Optica , beskriver forfatterne deres nye spektro-polarimetriske nedbrydningssystem, som bruger en stak af roterende metaoverflader til at nedbryde termisk lys i dets spektrale og polarimetriske komponenter. Dette gør det muligt for billeddannelsessystemet at fange spektral- og polarisationsdetaljerne for termisk stråling ud over den intensitetsinformation, der opnås med traditionel termisk billeddannelse.

Forskerne viste, at det nye system kan bruges sammen med et kommercielt termisk kamera til med succes at klassificere forskellige materialer, en opgave, der typisk er udfordrende for konventionelle termiske kameraer. Metodens evne til at skelne temperaturvariationer og identificere materialer baseret på spektro-polarimetriske signaturer kan hjælpe med at øge sikkerheden og effektiviteten til en række applikationer, herunder autonom navigation.

"Traditionelle autonome navigationstilgange er stærkt afhængige af RGB-kameraer, som kæmper under udfordrende forhold som dårligt lys eller dårligt vejr," sagde avisens første forfatter Xueji Wang, en postdoc-forsker ved Purdue University.

"Når det er integreret med varmeassisteret detekterings- og afstandsteknologi, kan vores spektro-polarimetriske termiske kamera give vital information i disse vanskelige scenarier og tilbyde klarere billeder end RGB eller konventionelle termiske kameraer. Når vi først opnår videooptagelse i realtid, kan teknologien betydeligt forbedre sceneopfattelsen og den generelle sikkerhed."

Gør mere med et mindre billedapparat

Spektro-polarimetrisk billeddannelse i langbølget infrarød er afgørende for applikationer som nattesyn, maskinsyn, sporgassensing og termografi. Men nutidens spektro-polarimetriske langbølgede infrarøde billedapparater er omfangsrige og begrænsede i spektral opløsning og synsfelt.

For at overvinde disse begrænsninger vendte forskerne sig til store metaoverflader - ultratynde strukturerede overflader, der kan manipulere lys på komplekse måder. Efter at have udviklet spinning af dispersive metasurfaces med skræddersyede infrarøde responser, udviklede de en fremstillingsproces, der gjorde det muligt at bruge disse metasurfaces til at skabe spindingenheder med stort område (2,5 cm i diameter) egnet til billedbehandlingsapplikationer. Den resulterende roterende stak måler mindre end 10 x 10 x 10 cm og kan bruges med et traditionelt infrarødt kamera.

"Integration af disse store meta-optiske enheder med computerbaserede billedbehandlingsalgoritmer lettede den effektive rekonstruktion af det termiske strålingsspektrum," sagde Wang. "Dette muliggjorde et mere kompakt, robust og effektivt spektro-polarimetrisk termisk billeddannelsessystem, end det tidligere var muligt."

Klassificering af materialer med termisk billeddannelse

For at evaluere deres nye system, udtalte forskerne "Purdue" ved hjælp af forskellige materialer og mikrostrukturer, hver med unikke spektro-polarimetriske egenskaber. Ved at bruge den spektro-polarimetriske information opnået med systemet, skelnede de nøjagtigt mellem de forskellige materialer og objekter.

De demonstrerede også en tredobling af materialeklassificeringsnøjagtigheden sammenlignet med traditionelle termiske billeddannelsesmetoder, hvilket fremhævede systemets effektivitet og alsidighed.

Forskerne siger, at den nye metode kan være særlig nyttig til applikationer, der kræver detaljeret termisk billeddannelse. "I sikkerhed, for eksempel, kunne det revolutionere lufthavnssystemer ved at opdage skjulte genstande eller stoffer på mennesker," sagde Wang. "Desuden forbedrer dets kompakte og robuste design dets egnethed til forskellige miljøforhold, hvilket gør det særligt fordelagtigt til applikationer såsom autonom navigation."

Ud over at arbejde på at opnå videooptagelse med systemet, forsøger forskerne at forbedre teknikkens spektrale opløsning, transmissionseffektivitet og billedoptagelses- og behandlingshastighed.

De planlægger også at forbedre metasurface-designet for at muliggøre mere kompleks lysmanipulation for højere spektral opløsning. Derudover ønsker de at udvide metoden til rumtemperatur-billeddannelse, da brugen af ​​metasurface-stakke begrænsede metoden til højtemperaturobjekter. De planlægger at gøre dette ved at bruge forbedrede materialer, metaoverfladedesign og teknikker som antirefleksbelægninger.

Flere oplysninger: Xueji Wang et al., Spinning Metasurface Stack for Spectro-polarimetric Thermal Imaging, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.506813

Journaloplysninger: Optica

Leveret af Optica