Nyt metasurface-baseret kantdetektionsfilter til fjernmåling kan transformere afgrødeovervågning

Nyt arbejde af forskere fra ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) og City University of New York (CUNY) offentliggjort 27. maj i Nature Communications realiserer et nyt, justerbart kantdetektionsfilter til flade optiske billedsystemer, der kan skifte mellem et billede af et objekts omrids og et detaljeret infrarødt billede.

Udviklingen af ​​kompakte lette analoge kantdetekterende billedprocessorer er af særlig interesse for fjernmålingsapplikationer såsom miljøovervågning og overvågning, på grund af dets potentiale til at minimere dronestørrelse, forlænge implementeringstider og reducere driftsomkostninger. Denne nye forskning er et stort skridt i retning af at realisere denne enhed med den ekstra funktionalitet af standard infrarød billedbehandling.

Dette kan resultere i billigere dagligvarer, da landmænd er bedre i stand til præcist at lokalisere, hvilke afgrøder der kræver kunstvanding, gødskning og skadedyrsbekæmpelse i stedet for at tage en generel tilgang til afgrødeforvaltning.

Det kunne også hjælpe med indsatsen for at beskytte truede arter, da kantdetektionssystemer kan give værdifulde data om naturtyper og grænser til økosystemer. Disse data bruges til genoprettelse og beskyttelse af levesteder, men er i øjeblikket dyre at indsamle.

Kantgenkendelse er et billedbehandlingsværktøj, der uddrager omridset af et objekt og hjælper med at skelne objekter fra deres baggrunde. I øjeblikket er det en digital proces, der opstår, efter at et billede er taget, og som kræver omfangsrige processorer og traditionelle billedbehandlingssystemer. Denne form for digital kantdetektion skaber masser af data, der skal behandles, lagres og transmitteres.

Det analoge billedfilter, der er udviklet af TMOS-forskere og deres partnere, reducerer motivet til dets konturer, før billedet tages, hvilket drastisk reducerer mængden af ​​producerede data. Den kan også skifte til et ufiltreret, detaljeret infrarødt billede, når det kræves, hvilket er en ny udvikling og kunne give landmænd mulighed for at indsamle flere oplysninger, når fjernsensoren identificerer områder med potentielle skadedyrsangreb.

Filteret er kun nanometer tykt, med et tyndt lag af faseændringsmaterialet vanadiumdioxid (VO₂ ) indlejret i en tykkere siliciummetaoverflade. Når temperaturen på filteret ændres, vises VO₂ går fra en isolerende tilstand til en metallisk tilstand, og det behandlede billede skifter fra en filtreret kontur til et ufiltreret infrarødt billede.

Meta-optik (også kendt som flad optik og nanofotonik) er et nyt felt, der miniaturiserer optisk teknologi ved at erstatte traditionelle linser med metasurfaces. Filteret kan kombineres med en metalens for i høj grad at reducere størrelsen af ​​billeddannelsessystemer, hvilket gør det ideelt til brug på droner, satellitter og andre applikationer, der kræver lav størrelse, vægt og strømkrav.

Hovedforfatter Michele Cotrufo siger:"Mens nogle få nylige demonstrationer har opnået analog kantdetektion ved hjælp af metasurfaces, er de fleste af de enheder, der er demonstreret indtil videre, statiske. Deres funktionalitet er fastlagt i tid og kan ikke ændres eller kontrolleres dynamisk.

"Alligevel er evnen til dynamisk at omkonfigurere behandlingsoperationer nøglen til, at metasurfaces kan konkurrere med digitale billedbehandlingssystemer. Det er det, vi har udviklet."

Det er vigtigt, at mens den tilbyder den meget eftertragtede rekonfigurerbarhed, matchede metasfladen ydeevnen af ​​sine statiske modstykker med hensyn til den numeriske blænde, effektivitet, isotropi og polarisationsuafhængighed.

TMOS Partner Investigator Andrea Alu siger:"Vi brugte en VO₂ lag og lokalvarmeelement som proof of concept. Nu er der potentiale til at udvide forskningen til at omfatte ikke-flygtige faseændringsmaterialer, som ikke kræver opvarmning, eller at integrere det med en ekstern pumpelaser til optisk induceret opvarmning. Sidstnævnte scenarie kan åbne interessante muligheder for helt optisk rekonfigurerbar ikke-lineær analog beregning."

Prototypen blev fremstillet af TMOS Chief Investigator Madhu Bhaskaran og hendes team ved RMIT University. Bhaskaran siger:"Faseændringsmaterialer såsom vanadiumdioxid tilføjer en fantastisk tuning-evne til at gøre enheder 'smarte'. Som demonstreret af os, går disse materialer langt i futuristiske flade optiske enheder."

Medforfatter Shaban Sulejman fra University of Melbourne siger:"Det spændende ved dette filter er, at designet og materialerne gør det egnet til massefremstilling. Det fungerer også ved temperaturer, der er kompatible med standard fremstillingsteknikker, hvilket gør det velplaceret til at integreres med kommercielt tilgængelige systemer og derfor gå fra forskning til brug i den virkelige verden så hurtigt."

TMOS Chief Investigator Ann Roberts, også fra University of Melbourne, siger:"Meta-optik har potentialet til at transformere utallige industrier og gør det hurtigt. Traditionelle optiske elementer har længe været flaskehalsen, der forhindrer yderligere miniaturisering af enheder. Evnen at erstatte eller supplere traditionelle optiske elementer med tyndfilmsoptik bryder igennem den flaskehals.

"For industrier som landbrug kan dette betyde realtidsovervågning af miljøforhold, forbedrede billeder fra fjernmålingsplatforme som drone eller satellitter og mere omfattende dataindsamling uden de tilsvarende logistiske udfordringer, der normalt følger med det."

Flere oplysninger: Michele Cotrufo et al., Rekonfigurerbare billedbehandlingsmetasurfaces med faseændringsmaterialer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS)