Science >> Wetenschap >  >> Natuurkunde

Onderzoekers gebruiken draaiende metasurfaces om een ​​compact warmtebeeldsysteem te maken

In Optica beschrijven de auteurs hun nieuwe spectro-polarimetrische ontledingssysteem, dat een stapel draaiende metasurfaces gebruikt om thermisch licht op te splitsen in zijn spectrale en polarimetrische componenten. Hierdoor kan het beeldvormingssysteem de spectrale en polarisatiedetails van thermische straling vastleggen, naast de intensiteitsinformatie die wordt verkregen met traditionele thermische beeldvorming.

De onderzoekers toonden aan dat het nieuwe systeem kan worden gebruikt met een commerciële thermische camera om verschillende materialen met succes te classificeren, een taak die doorgaans een uitdaging is voor conventionele thermische camera's. Het vermogen van de methode om temperatuurvariaties te onderscheiden en materialen te identificeren op basis van spectro-polarimetrische kenmerken zou de veiligheid en efficiëntie voor een verscheidenheid aan toepassingen kunnen helpen vergroten, waaronder autonome navigatie.

"Traditionele autonome navigatiebenaderingen zijn sterk afhankelijk van RGB-camera's, die moeite hebben in uitdagende omstandigheden zoals weinig licht of slecht weer", zegt de eerste auteur van het artikel, Xueji Wang, een postdoctoraal onderzoeker aan de Purdue University.

"Indien geïntegreerd met warmteondersteunde detectie- en afstandstechnologie, kan onze spectro-polarimetrische thermische camera essentiële informatie leveren in deze moeilijke scenario's, en duidelijkere beelden bieden dan RGB of conventionele thermische camera's. Zodra we real-time video-opname bereiken, kan de technologie aanzienlijk verbeter de scèneperceptie en de algehele veiligheid."

Meer doen met een kleinere imager

Spectropolarimetrische beeldvorming in het langegolf-infrarood is cruciaal voor toepassingen zoals nachtzicht, machinevisie, spoorgasdetectie en thermografie. De huidige spectro-polarimetrische langegolf-infraroodcamera's zijn echter omvangrijk en beperkt in spectrale resolutie en gezichtsveld.

Om deze beperkingen te overwinnen, wendden de onderzoekers zich tot metasurfaces met een groot oppervlak:ultradunne gestructureerde oppervlakken die licht op complexe manieren kunnen manipuleren. Nadat ze dispersieve metasurfaces met op maat gemaakte infraroodreacties hadden ontwikkeld, ontwikkelden ze een fabricageproces waarmee deze metasurfaces konden worden gebruikt om spinapparaten met een groot oppervlak (2,5 cm diameter) te creëren die geschikt zijn voor beeldvormingstoepassingen. De resulterende draaiende stapel meet minder dan 10 x 10 x 10 cm en kan worden gebruikt met een traditionele infraroodcamera.

"De integratie van deze meta-optische apparaten met een groot oppervlak met computationele beeldalgoritmen vergemakkelijkte de efficiënte reconstructie van het thermische stralingsspectrum", aldus Wang. "Dit maakte een compacter, robuuster en effectiever spectro-polarimetrisch warmtebeeldsysteem mogelijk dan voorheen haalbaar was."

De stapel draaiende metasurfaces splitst thermisch licht op in zijn spectrale en polarimetrische componenten. De onderzoekers combineerden de metasurface-stapel met een traditionele langegolf-infraroodcamera en computationele beeldalgoritmen om een ​​compact en robuust spectraal thermisch beeldsysteem te creëren. Credit:Xueji Wang, Purdue University

Materialen classificeren met thermische beeldvorming

Om hun nieuwe systeem te evalueren, spelden de onderzoekers ‘Purdue’ met behulp van verschillende materialen en microstructuren, elk met unieke spectro-polarimetrische eigenschappen. Met behulp van de spectro-polarimetrische informatie die met het systeem werd verkregen, konden ze nauwkeurig de verschillende materialen en objecten onderscheiden.

Ze toonden ook een drievoudige toename in de nauwkeurigheid van materiaalclassificatie in vergelijking met traditionele thermische beeldvormingsmethoden, wat de effectiviteit en veelzijdigheid van het systeem onderstreepte.

De onderzoekers zeggen dat de nieuwe methode vooral nuttig zou kunnen zijn voor toepassingen die gedetailleerde thermische beeldvorming vereisen. “Op het gebied van de veiligheid zou het bijvoorbeeld een revolutie teweeg kunnen brengen in luchthavensystemen door verborgen voorwerpen of substanties op mensen te detecteren”, aldus Wang. "Bovendien verbetert het compacte en robuuste ontwerp de geschiktheid voor diverse omgevingsomstandigheden, waardoor het bijzonder gunstig is voor toepassingen zoals autonome navigatie."

Naast het werken aan video-opname met het systeem, proberen de onderzoekers ook de spectrale resolutie, transmissie-efficiëntie en snelheid van beeldopname en -verwerking van de techniek te verbeteren.

Ze zijn ook van plan het metasurface-ontwerp te verbeteren om complexere lichtmanipulatie voor een hogere spectrale resolutie mogelijk te maken. Bovendien willen ze de methode uitbreiden naar beeldvorming bij kamertemperatuur, omdat het gebruik van metasurface-stapels de methode beperkte tot objecten met hoge temperaturen. Ze zijn van plan dit te doen met behulp van verbeterde materialen, metasurface-ontwerpen en technieken zoals antireflectiecoatings.

Meer informatie: Xueji Wang et al., Draaiende metasurface-stapel voor spectro-polarimetrische thermische beeldvorming, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.506813

Journaalinformatie: Optica

Geleverd door Optica




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat zijn de verschillen tussen een oog van een koe en een menselijk oog?
  2. Waarom zoveel dieren, inclusief onze huisdieren, een derde ooglid hebben, maar mensen niet
  3. Wat zijn de functies van zetmeel in plantencellen?
  4. Onderzoek naar parasieten effent de weg voor infectietherapieën
  5. Natuurlijke wijnen:hoe worden ze gemaakt en hoe zit het met sulfieten? Een expert legt uit
  6. Het ontrafelen van de mechanismen die de celgroei en -grootte regelen
  7. Hoe is mitose van invloed op het leven?
  8. Belangrijke soorten bacteriën
  9. Staan we aan het begin van het einde van de westerse beschaving?

Wetenschap