Een onderzoeksteam van ingenieurs van Vanderbilt, waaronder een wetenschapper van het Oak Ridge National Laboratory, heeft een nieuw ultradun filter gedemonstreerd, gebaseerd op metamaterialen, waarmee analoge optische beeldverwerking mogelijk is. Hun werk, Platte optica voor beelddifferentiatie, verschijnt vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift, Natuurfotonica .

Hoewel digitale beeldverwerking de overheersende techniek is geworden in verschillende wetenschappelijke en technische disciplines, het vereist geavanceerde computers, ruimte voor de computer, en substantieel vermogen.

"De meeste beeldverwerking wordt digitaal uitgevoerd, maar optische analoge verwerking heeft de voordelen van laag vermogen en hoge snelheid, " zei Jason Valentijn, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en adjunct-directeur van het Vanderbilt Institute of Nanoscale Science and Engineering. Hoewel optische beeldverwerking in het verleden is uitgevoerd, vereist dit over het algemeen meerdere optische lenzen, wat resulteert in een grote systeemomvang.

Het metamateriaalfilter, de eerste in zijn soort, onderscheidt het invallende licht direct, waardoor men direct de randen kan afbeelden, of grenzen, van het voorwerp.

"Edge-filtering is een veelvoorkomende voorbewerkingsstap bij objectherkenning, bijvoorbeeld, het detecteren van de rand van een rijstrook voor autonome voertuigen. Het kan ook worden gebruikt voor het detecteren van tumormarges bij medische beeldvorming of bij het classificeren van celgrootte en -type in het geval van celsortering voor kankerdetectie, ' zei Valentijn.

Het metamateriaalfilter is gebaseerd op een tweedimensionaal fotonisch kristal gemaakt van silicium dat directe beeldvorming van de randen van een object in alle richtingen mogelijk maakt. De 'nanophotonic differentiator' kan worden geïntegreerd in een optische microscoop of op een camerasensor, eenvoudig een bestaand beeldverwerkingssysteem aanpassen.

"Een van de belangrijkste voordelen van onze aanpak is de mogelijkheid om het metamateriaal te integreren met traditionele optische systemen. we hebben een randdetectiemicroscoop gebouwd door het metamateriaalfilter eenvoudig in een commerciële optische microscoop te plaatsen, " zei Jij Zhou, een doctoraat student in het Interdisciplinair Materials Science Program en een van de vier auteurs. Het testen omvatte het afbeelden van de cellen van de uienepidermis, pompoenstam en varkensmotorische zenuw.

Het filter - dunner dan een mensenhaar - was ook geïntegreerd met een op metamateriaal gebaseerde lens, resulterend in een volledig vlakke, en ultradunne optiek die edge imaging kan uitvoeren. Dit verkleint verder de afmetingen van traditionele optische systemen die voor dit doel worden gebruikt.

"Het belangrijkste kenmerk is de mogelijkheid om beeldverwerking uit te voeren met de snelheid van het licht, zonder dat er stroom nodig is en dit in een extreem dunne vormfactor, Valentine zei. "Dit opent nieuwe deuren voor real-time en high-speed optische analoge beeldverwerking in toepassingen zoals machine vision en biologische beeldvorming."