Matematik med lysets hastighed

AMOLF-forskere og deres samarbejdspartnere fra Advanced Science Research Center (ASRC/CUNY) i New York har skabt en nanostruktureret overflade, der er i stand til at udføre on-the-fly matematiske operationer på et inputbillede. Denne opdagelse kan øge hastigheden på eksisterende billedbehandlingsteknikker og lavere energiforbrug. Værket muliggør ultrahurtig genkendelse og augmented reality -applikationer. Forskerne offentliggør deres resultater i dag i tidsskriftet Nano bogstaver .

Billedbehandling er kernen i flere hurtigt voksende teknologier, såsom augmented reality, autonom kørsel og mere generel genkendelse af objekter. Men hvordan finder og genkender en computer et objekt? Det første trin er at forstå, hvor dets grænser er, derfor bliver kantdetektering i et billede udgangspunktet for billedgenkendelse. Kantdetektering udføres typisk digitalt ved hjælp af integrerede elektroniske kredsløb, der indebærer grundlæggende hastighedsbegrænsninger og højt energiforbrug, eller på en analog måde, der kræver omfangsrig optik.

Nanostruktureret metasurface

I en helt ny tilgang, AMOLF ph.d. studerende Andrea Cordaro og hans kolleger skabte en særlig "metasurface, "et gennemsigtigt substrat med et specielt designet array af silicium -nanobarer. Når et billede projiceres på metasurface, det transmitterede lys danner et nyt billede, der viser kanterne af originalen. Effektivt, metasurface udfører en matematisk derivatoperation på billedet, som giver en direkte sonde af kanter i billedet. I et første forsøg, et billede af AMOLF -logoet blev projiceret på metasoverfladen. Ved en specielt designet bølgelængde (726 nm), der ses et tydeligt billede af kanterne. Den matematiske transformation skyldes, at hver rumlig frekvens, der sammensætter billedet, har en skræddersyet transmissionskoefficient gennem metasurface. Denne skræddersyede transmission er resultatet af en kompleks interferens af lys, når den formerer sig gennem metaoverfladen.

Kantdetektering

For at demonstrere kantdetektering eksperimentelt på et billede skabte forskerne en miniatureversion af maleriet Meisje met de parel (Pige med en perleørering, J. Vermeer) ved at printe bittesmå kromprikker på et gennemsigtigt substrat. Hvis billedet projiceres på metaoverfladen ved hjælp af off-resonant belysning (λ =750 nm) genkendes det originale billede tydeligt. I modsætning, hvis belysningen har den rigtige farve (λ =726 nm) løses kanterne klart i det transformerede billede.

Denne nye optiske computer- og billedteknik opererer med lysets hastighed, og selve den matematiske operation bruger ingen energi, da den kun involverer passive optiske komponenter. Metaoverfladen kan let implementeres ved at placere den direkte på en standard CCD- eller CMOS -detektorchip, åbner nye muligheder inden for hybrid optisk og elektronisk computing, der fungerer til lave omkostninger, lav strøm, og små dimensioner.