Nieuw werk van onderzoekers van het ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) en City University of New York (CUNY), gepubliceerd op 27 mei in Nature Communications realiseert een nieuw, instelbaar randdetectiefilter voor vlakoptische beeldvormingssystemen die kunnen schakelen tussen een beeld van de omtrek van een object en een gedetailleerd infraroodbeeld.

De ontwikkeling van compacte lichtgewicht analoge beeldprocessors voor randdetectie is van bijzonder belang voor toepassingen op het gebied van teledetectie, zoals omgevingsmonitoring en -bewaking, vanwege het potentieel om de drone-grootte te minimaliseren, de inzettijden te verlengen en de bedrijfskosten te verlagen. Dit nieuwe onderzoek is een grote stap in de richting van de realisatie van dit apparaat, met de toegevoegde functionaliteit van standaard infraroodbeelden.

Dit zou kunnen resulteren in goedkopere boodschappen, omdat boeren beter in staat zijn om precies vast te stellen welke gewassen irrigatie, bemesting en ongediertebestrijding nodig hebben, in plaats van een algemene benadering van gewasbeheer te hanteren.

Het zou ook kunnen helpen bij inspanningen om bedreigde diersoorten te beschermen, aangezien randdetectiesystemen waardevolle gegevens kunnen verschaffen over habitattypen en grenzen met ecosystemen. Deze gegevens worden gebruikt voor het herstel en de bescherming van habitats, maar het verzamelen ervan is momenteel kostbaar.

Randdetectie is een beeldverwerkingstool die de omtrek van een object extraheert, waardoor objecten van hun achtergrond kunnen worden onderscheiden. Momenteel is het een digitaal proces dat plaatsvindt nadat een afbeelding is vastgelegd en waarvoor omvangrijke processors en traditionele beeldvormingssystemen nodig zijn. Deze vorm van digitale edge-detectie creëert veel gegevens die moeten worden verwerkt, opgeslagen en verzonden.

Het analoge beeldfilter, ontwikkeld door TMOS-onderzoekers en hun partners, reduceert het onderwerp tot zijn contouren voordat het beeld wordt vastgelegd, waardoor de hoeveelheid geproduceerde gegevens drastisch wordt verminderd. Het kan indien nodig ook overschakelen naar een ongefilterd, gedetailleerd infraroodbeeld, wat een nieuwe ontwikkeling is en boeren in staat zou kunnen stellen meer informatie te verzamelen wanneer de afstandssensor gebieden met potentiële plagen identificeert.

Het filter is slechts nanometer dik, met een dunne laag van het faseveranderingsmateriaal vanadiumdioxide (VO₂ ) ingebed in een dikker silicium-metasurface. Wanneer de temperatuur van het filter wordt gewijzigd, wordt de VO₂ gaat over van een isolerende toestand naar een metaalachtige toestand, en het verwerkte beeld verschuift van een gefilterde omtrek naar een ongefilterd infraroodbeeld.

Meta-optica (ook bekend als platte optica en nanofotonica) is een nieuw vakgebied dat optische technologie miniaturiseert door traditionele lenzen te vervangen door metasurfaces. Het filter kan worden gecombineerd met metalen om de omvang van beeldvormingssystemen aanzienlijk te verkleinen, waardoor het ideaal is voor gebruik op drones, satellieten en andere toepassingen die een laag formaat, gewicht en stroomvereisten vereisen.

Hoofdauteur Michele Cotrufo zegt:"Hoewel een paar recente demonstraties analoge randdetectie hebben bereikt met behulp van metasurfaces, zijn de meeste tot nu toe gedemonstreerde apparaten statisch. Hun functionaliteit ligt vast in de tijd en kan niet dynamisch worden gewijzigd of gecontroleerd.

"Toch is de mogelijkheid om verwerkingsoperaties dynamisch te herconfigureren van cruciaal belang voor metasurfaces om te kunnen concurreren met digitale beeldverwerkingssystemen. Dit is wat we hebben ontwikkeld."

Belangrijk is dat het metasurface, hoewel het de zeer gewilde herconfigureerbaarheid bood, overeenkwam met de prestaties van zijn statische tegenhangers in termen van numerieke apertuur, efficiëntie, isotropie en polarisatie-onafhankelijkheid.

TMOS-partneronderzoeker Andrea Alu zegt:"We gebruikten een VO₂ laag en lokaal verwarmingselement als proof of concept. Nu bestaat er de mogelijkheid om het onderzoek uit te breiden met niet-vluchtige faseveranderingsmaterialen, die geen verwarming nodig hebben, of om het te integreren met een externe pomplaser voor optisch geïnduceerde verwarming. Het laatste scenario kan interessante wegen openen voor volledig optisch herconfigureerbare niet-lineaire analoge berekeningen."

Het prototype is vervaardigd door TMOS-hoofdonderzoeker Madhu Bhaskaran en haar team van de RMIT University. Bhaskaran zegt:"Faseveranderingsmaterialen zoals vanadiumdioxide voegen een fantastisch afstemmingsvermogen toe om apparaten 'slim' te maken. Zoals wij hebben aangetoond, kunnen deze materialen een grote bijdrage leveren aan futuristische apparaten met platte optiek."

Co-auteur Shaban Sulejman van de Universiteit van Melbourne zegt:"Het opwindende aan dit filter is dat het ontwerp en de gebruikte materialen het geschikt maken voor massaproductie. Het werkt ook bij temperaturen die compatibel zijn met standaard productietechnieken, waardoor het goed gepositioneerd is om te integreren met in de handel verkrijgbare systemen en daarom zo snel over te gaan van onderzoek naar gebruik in de echte wereld."

TMOS-hoofdonderzoeker Ann Roberts, eveneens van de Universiteit van Melbourne, zegt:“Meta-optica heeft het potentieel om talloze industrieën te transformeren, en doet dat ook snel. Traditionele optische elementen zijn lange tijd het knelpunt geweest dat de verdere miniaturisering van apparaten verhindert. door traditionele optische elementen te vervangen of aan te vullen met dunne-filmoptiek wordt dit knelpunt doorbroken.

"Voor industrieën zoals de landbouw zou dit kunnen betekenen dat de omgevingsomstandigheden in realtime worden gemonitord, verbeterde beelden van teledetectieplatforms zoals drones of satellieten, en een uitgebreidere gegevensverzameling zonder de bijbehorende logistieke uitdagingen die daarmee gepaard gaan."

Meer informatie: Michele Cotrufo et al, Herconfigureerbare metasurfaces voor beeldverwerking met faseveranderingsmaterialen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door ARC Center of Excellence voor transformatieve meta-optische systemen (TMOS)