AMOLF-onderzoekers en hun medewerkers van het Advanced Science Research Center (ASRC/CUNY) in New York hebben een nanogestructureerd oppervlak gecreëerd dat in staat is om on-the-fly wiskundige bewerkingen uit te voeren op een invoerbeeld. Deze ontdekking zou de snelheid van bestaande beeldverwerkingstechnieken kunnen verhogen en het energieverbruik kunnen verlagen. Het werk maakt ultrasnelle objectdetectie en augmented reality-toepassingen mogelijk. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Nano-letters .

Beeldverwerking vormt de kern van verschillende snelgroeiende technologieën, zoals augmented reality, autonoom rijden en meer algemene objectherkenning. Maar hoe vindt en herkent een computer een object? De eerste stap is om te begrijpen waar de grenzen liggen, vandaar dat randdetectie in een afbeelding het startpunt wordt voor beeldherkenning. Randdetectie wordt meestal digitaal uitgevoerd met behulp van geïntegreerde elektronische schakelingen, wat fundamentele snelheidsbeperkingen en een hoog energieverbruik met zich meebrengt, of op een analoge manier die omvangrijke optica vereist.

Nanogestructureerd meta-oppervlak

In een geheel nieuwe benadering, AMOLF Ph.D. student Andrea Cordaro en zijn medewerkers creëerden een speciaal "metaoppervlak, " een transparant substraat met een speciaal ontworpen reeks silicium nanobars. Wanneer een afbeelding op het meta-oppervlak wordt geprojecteerd, het doorgelaten licht vormt een nieuw beeld dat de randen van het origineel laat zien. Effectief, het meta-oppervlak voert een wiskundige afgeleide bewerking uit op het beeld, die een directe sonde van randen in het beeld geeft. In een eerste experiment, een afbeelding van het AMOLF-logo werd op het meta-oppervlak geprojecteerd. Bij een speciaal ontworpen golflengte (726 nm), een duidelijk beeld van de randen wordt waargenomen. De wiskundige transformatie is het resultaat van het feit dat elke ruimtelijke frequentie waaruit het beeld bestaat een op maat gemaakte transmissiecoëfficiënt door het meta-oppervlak heeft. Deze op maat gemaakte transmissie is het resultaat van een complexe interferentie van licht terwijl het zich door het meta-oppervlak voortplant.

Rand detectie

Om randdetectie experimenteel op een afbeelding aan te tonen, hebben de onderzoekers een miniatuurversie van het schilderij gemaakt Meisje met de parel (Vrouw met een parel oorbel, J. Vermeer) door minuscule chroomstippen op een transparant substraat te printen. Als het beeld op het meta-oppervlak wordt geprojecteerd met behulp van niet-resonante verlichting (λ=750 nm), wordt het originele beeld duidelijk herkend. In tegenstelling tot, als de belichting de juiste kleur heeft (λ=726 nm) zijn de randen duidelijk zichtbaar in het getransformeerde beeld.

Deze nieuwe optische reken- en beeldvormingstechniek werkt met de snelheid van het licht en de wiskundige bewerking zelf verbruikt geen energie omdat er alleen passieve optische componenten bij betrokken zijn. Het meta-oppervlak kan eenvoudig worden geïmplementeerd door het direct op een standaard CCD- of CMOS-detectorchip te plaatsen, nieuwe kansen openen in hybride optische en elektronische computers die tegen lage kosten werken, laag vermogen, en kleine afmetingen.