Nytt arbete av forskare från ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) och City University of New York (CUNY) publicerat den 27 maj i Nature Communications realiserar ett nytt, avstämbart kantdetekteringsfilter för plattoptiska bildsystem som kan växla mellan en bild av ett objekts kontur och en detaljerad infraröd bild.
Utvecklingen av kompakta och lätta analoga kantdetekterande bildprocessorer är av särskilt intresse för fjärranalysapplikationer som miljöövervakning och övervakning, på grund av dess potential att minimera drönarstorleken, förlänga drifttiden och minska driftskostnaderna. Den här nya forskningen är ett stort steg mot att förverkliga den här enheten, med den extra funktionaliteten hos standard infraröd bildbehandling.
Detta kan resultera i billigare matvaror eftersom bönder är bättre i stånd att exakt peka ut vilka grödor som kräver bevattning, gödsling och skadedjursbekämpning istället för att ta ett allmänt tillvägagångssätt när det gäller grödor.
Det kan också hjälpa till med insatser för att skydda hotade arter eftersom kantdetekteringssystem kan tillhandahålla värdefull information om livsmiljötyper och gränser till ekosystem. Dessa data används för restaurering och skydd av livsmiljöer men är för närvarande kostsamma att samla in.
Kantdetektering är ett bildbehandlingsverktyg som extraherar konturerna av ett objekt, vilket hjälper till att skilja objekt från deras bakgrunder. För närvarande är det en digital process som sker efter att en bild har tagits, och som kräver skrymmande processorer och traditionella bildbehandlingssystem. Denna form av digital kantdetektering skapar massor av data som behöver bearbetas, lagras och överföras.
Det analoga bildfiltret som utvecklats av TMOS-forskare och deras partners reducerar motivet till dess konturer innan bilden tas, vilket drastiskt minskar mängden producerad data. Den kan också byta till en ofiltrerad, detaljerad infraröd bild vid behov, vilket är en ny utveckling och kan göra det möjligt för bönder att samla in mer information när fjärrsensorn identifierar områden med potentiella skadedjursangrepp.
Filtret är bara nanometer tjockt, med ett tunt lager av fasförändringsmaterialet vanadindioxid (VO2 ) inbäddad i en tjockare kiselmetayta. När temperaturen på filtret ändras visas VO2 övergår från ett isolerande tillstånd till ett metalliskt, och den bearbetade bilden skiftar från en filtrerad kontur till en ofiltrerad infraröd bild.
Meta-optik (även känd som platt optik och nanofotonik) är ett nytt område som miniatyriserar optisk teknik genom att ersätta traditionella linser med metasytor. Filtret kan kombineras med en metalens för att kraftigt reducera storleken på bildsystem, vilket gör det idealiskt för användning på drönare, satelliter och andra applikationer som kräver låg storlek, vikt och effektkrav.
Huvudförfattaren Michele Cotrufo säger:"Medan några få senaste demonstrationer har uppnått analog kantdetektering med hjälp av metasytor, är de flesta enheter som visats hittills statiska. Deras funktionalitet är fixerad i tid och kan inte ändras eller kontrolleras dynamiskt.
"Ändå är möjligheten att dynamiskt omkonfigurera bearbetningsoperationer nyckeln för att metasytor ska kunna konkurrera med digitala bildbehandlingssystem. Det här är vad vi har utvecklat."
Viktigt är att samtidigt som den erbjuder den mycket eftertraktade omkonfigurerbarheten matchade metaytan prestandan hos sina statiska motsvarigheter när det gäller numerisk bländare, effektivitet, isotropi och polarisationsoberoende.
TMOS-partnerutredaren Andrea Alu säger:"Vi använde en VO2 lager och lokalt värmeelement som ett bevis på konceptet. Nu finns det potential att utöka forskningen till att inkludera icke-flyktiga fasförändringsmaterial, som inte kräver uppvärmning, eller att integrera den med en extern pumplaser för optiskt inducerad uppvärmning. Det senare scenariot kan öppna intressanta vägar för helt optiskt omkonfigurerbar olinjär analog beräkning."
Prototypen tillverkades av TMOS chefsutredare Madhu Bhaskaran och hennes team vid RMIT University. Bhaskaran säger, "Fasförändringsmaterial som vanadindioxid ger en fantastisk inställningsförmåga för att göra enheter "smarta." Som vi har visat, går dessa material långt i futuristiska plattoptiska enheter."
Medförfattare Shaban Sulejman från University of Melbourne säger:"Det som är spännande med det här filtret är att designen och materialen som används gör det mottagligt för masstillverkning. Det fungerar också vid temperaturer som är kompatibla med standardtillverkningstekniker, vilket gör det välplacerat för att integrera med kommersiellt tillgängliga system och därför gå från forskning till verklig användning så snabbt."
TMOS chefsutredare Ann Roberts, också från University of Melbourne, säger:"Meta-optik har potentialen att förvandla otaliga industrier och gör det snabbt. Traditionella optiska element har länge varit flaskhalsen som förhindrar ytterligare miniatyrisering av enheter. Förmågan att ersätta eller komplettera traditionella optiska element med tunnfilmsoptik bryter igenom den flaskhalsen.
"För branscher som jordbruk kan detta innebära realtidsövervakning av miljöförhållanden, förbättrade bilder från fjärranalysplattformar som drönare eller satelliter och mer omfattande datainsamling utan motsvarande logistiska utmaningar som vanligtvis följer med det."
Mer information: Michele Cotrufo et al, Omkonfigurerbara bildbehandlingsmetasytor med fasförändringsmaterial, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS)
