Ett forskargrupp av Vanderbilt -ingenjörer som inkluderar en forskare vid Oak Ridge National Laboratory har visat ett nytt ultratunt filter, baserat på metamaterial, som möjliggör analog optisk bildbehandling. Deras arbete, Flatoptik för bilddifferentiering, visas idag i den vetenskapliga tidskriften, Nature Photonics .

Medan digital bildbehandling har blivit den rådande tekniken inom en mängd olika vetenskaps- och ingenjörsgrenar, det kräver avancerade datorer, utrymme för dator, och betydande makt.

"De flesta bildbehandlingar utförs digitalt, men optisk analog bearbetning har fördelarna med låg effekt och hög hastighet, "sa Jason Valentine, docent i maskinteknik och biträdande chef för Vanderbilt Institute of Nanoscale Science and Engineering. Även om optisk bildbehandling har utförts tidigare kräver det i allmänhet flera optiska linser vilket resulterar i en stor systemstorlek.

Metamaterialfiltret, den första i sitt slag, skiljer det inkommande ljuset direkt, tillåter en att direkt avbilda kanterna, eller gränser, av föremålet.

"Kantfiltrering är ett vanligt förbehandlingssteg i objektigenkänning, till exempel, upptäcka kanten av ett körfält för autonoma fordon. Den kan också användas för att detektera tumörmarginaler inom medicinsk bildning eller för att klassificera cellstorlek och -typ vid cellsortering för cancerdetektering, "Sa Valentine.

Metamaterialfiltret är baserat på en tvådimensionell fotonisk kristall tillverkad av kisel som möjliggör direkt avbildning av kanterna på ett objekt i alla riktningar. Den 'nanofotoniska differensatorn' kan integreras i ett optiskt mikroskop eller på en kamerasensor, enkelt anpassa ett befintligt bildbehandlingssystem.

"En av de främsta fördelarna med vårt tillvägagångssätt är möjligheten att integrera metamaterialet med traditionella optiska system. Som ett exempel, vi byggde ett kantdetekteringsmikroskop genom att helt enkelt placera metamaterialfiltret i ett kommersiellt optiskt mikroskop, "sa du Zhou, en doktorsexamen student i det tvärvetenskapliga materialvetenskapsprogrammet och en av de fyra författarna. Testning inkluderade avbildning av cellerna i lökepidermis, pumpstam och grismotorisk nerv.

Filtret-tunnare än ett människohår-var också integrerat med en metamaterialbaserad lins, vilket resulterar i en helt platt, och ultratunn optik som kan utföra kantavbildning. Detta minskar ytterligare storleken på traditionella optiska system som används för detta ändamål.

"Nyckelfunktionen är möjligheten att utföra bildbehandling med ljusets hastighet utan att behöva ingångseffekt och göra det i en extremt tunn formfaktor, "Valentine sa." Detta öppnar nya dörrar för realtid och höghastighetsoptisk analog bildbehandling i applikationer som maskinsyn och biologisk avbildning. "