Forskare har utvecklat en ny teknik som använder meta-optiska enheter för att utföra värmeavbildning. Tillvägagångssättet ger rikare information om avbildade objekt, vilket skulle kunna bredda användningen av termisk bildbehandling inom områden som autonom navigering, säkerhet, termografi, medicinsk bildbehandling och fjärranalys.
"Vår metod övervinner utmaningarna med traditionella spektrala värmekamera, som ofta är skrymmande och ömtåliga på grund av att de är beroende av stora filterhjul eller interferometrar", säger forskargruppsledaren Zubin Jacob från Purdue University. "Vi kombinerade meta-optiska enheter och banbrytande beräkningsalgoritmer för att skapa ett system som är både kompakt och robust samtidigt som det har ett stort synfält."
I Optica , beskriver författarna deras nya spektro-polarimetriska nedbrytningssystem, som använder en stapel av snurrande metasytor för att bryta ner termiskt ljus till dess spektrala och polarimetriska komponenter. Detta gör att avbildningssystemet kan fånga spektral- och polarisationsdetaljerna för termisk strålning utöver den intensitetsinformation som erhålls med traditionell värmeavbildning.
Forskarna visade att det nya systemet kan användas med en kommersiell värmekamera för att framgångsrikt klassificera olika material, en uppgift som vanligtvis är utmanande för konventionella värmekameror. Metodens förmåga att särskilja temperaturvariationer och identifiera material baserat på spektropolarimetriska signaturer kan hjälpa till att öka säkerheten och effektiviteten för en mängd olika applikationer, inklusive autonom navigering.
"Traditionella autonoma navigeringsmetoder är mycket beroende av RGB-kameror, som kämpar under utmanande förhållanden som svagt ljus eller dåligt väder", säger tidningens första författare Xueji Wang, en postdoktor vid Purdue University.
"När den är integrerad med värmeassisterad detekterings- och avståndsteknik kan vår spektropolarimetriska värmekamera tillhandahålla viktig information i dessa svåra scenarier, och erbjuda tydligare bilder än RGB eller konventionella värmekameror. När vi väl uppnår realtidsvideoinspelning kan tekniken avsevärt förbättra scenuppfattningen och den övergripande säkerheten."
Spektropolarimetrisk avbildning i det långvågiga infraröda är avgörande för tillämpningar som mörkerseende, maskinseende, spårgasavkänning och termografi. Men dagens spektropolarimetriska långvågiga infraröda bildapparater är skrymmande och begränsade i spektral upplösning och synfält.
För att övervinna dessa begränsningar vände sig forskarna till metasytor med stora ytor - ultratunna strukturerade ytor som kan manipulera ljus på komplexa sätt. Efter att ha konstruerat spinning av dispersiva metasytor med skräddarsydda infraröda svar, utvecklade de en tillverkningsprocess som gjorde det möjligt för dessa metasytor att användas för att skapa spinnenheter med stor yta (2,5 cm i diameter) lämpliga för avbildningstillämpningar. Den resulterande snurrbunten mäter mindre än 10 x 10 x 10 cm och kan användas med en traditionell infraröd kamera.
"Integration av dessa stora meta-optiska enheter med beräkningsavbildningsalgoritmer underlättade den effektiva rekonstruktionen av det termiska strålningsspektrumet", säger Wang. "Detta möjliggjorde ett mer kompakt, robust och effektivt spektropolarimetriskt värmeavbildningssystem än vad som tidigare var möjligt."
Klassificering av material med termisk avbildning
För att utvärdera deras nya system, stavade forskarna ut "Purdue" med hjälp av olika material och mikrostrukturer, var och en med unika spektropolarimetriska egenskaper. Med hjälp av den spektropolarimetriska informationen som erhållits med systemet, särskiljde de de olika materialen och föremålen på ett korrekt sätt.
De visade också en trefaldig ökning av materialklassificeringsnoggrannheten jämfört med traditionella termiska avbildningsmetoder, vilket framhävde systemets effektivitet och mångsidighet.
Forskarna säger att den nya metoden kan vara särskilt användbar för tillämpningar som kräver detaljerad värmeavbildning. "Inom säkerhet, till exempel, kan det revolutionera flygplatssystem genom att upptäcka dolda föremål eller ämnen på människor", sa Wang. "Dessutom förbättrar dess kompakta och robusta design dess lämplighet för olika miljöförhållanden, vilket gör den särskilt fördelaktig för applikationer som autonom navigering."
Förutom att arbeta för att uppnå videoinspelning med systemet, försöker forskarna att förbättra teknikens spektrala upplösning, överföringseffektivitet och hastighet för bildfångst och bearbetning.
De planerar också att förbättra metasytdesignen för att möjliggöra mer komplex ljusmanipulation för högre spektral upplösning. Dessutom vill de utvidga metoden till rumstemperaturavbildning eftersom användningen av metasyttackar begränsade metoden till högtemperaturobjekt. De planerar att göra detta med hjälp av förbättrade material, metasytor och tekniker som antireflexbeläggningar.
Mer information: Xueji Wang et al, Spinning Metasurface Stack for Spectro-polarimetric Thermal Imaging, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.506813
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av Optica
