Экспериментально измеренный оптический отклик изготовленной метаповерхности. Изображения изготовленной метаповерхности, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабные линейки = 2 мкм на (а) и 500 нм на (б). Изображение в искусственных цветах на (b) показывает кремниевую пластину (зеленую) и лежащий под ней VO.
2
пленка (красная). c Спектр передачи устройства. Эволюция спектра пропускания метаповерхности при нормальном падении на (в) при медленном увеличении температуры (г) и уменьшении (д). Изображение:
Природные коммуникации
(2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48783-3
Новая работа исследователей из Центра передового опыта трансформирующих метаоптических систем ARC (TMOS) и Городского университета Нью-Йорка (CUNY) опубликовано 27 мая в Природные коммуникации реализует новый настраиваемый фильтр обнаружения границ для систем формирования изображений с плоской оптикой, который может переключаться между изображением контура объекта и детальным инфракрасным изображением.
Разработка компактных и легких аналоговых процессоров изображений для обнаружения границ представляет особый интерес для приложений дистанционного зондирования, таких как мониторинг и наблюдение за окружающей средой, из-за их потенциала минимизировать размер дронов, продлить время развертывания и снизить эксплуатационные расходы. Это новое исследование является большим шагом на пути к созданию этого устройства с дополнительными функциями стандартной инфракрасной визуализации.
Это может привести к удешевлению продуктов питания, поскольку фермеры смогут лучше точно определить, какие культуры требуют орошения, внесения удобрений и борьбы с вредителями, вместо того, чтобы применять общий подход к управлению посевами.
Это также может помочь в усилиях по защите исчезающих видов, поскольку системы обнаружения границ могут предоставить ценные данные о типах среды обитания и границах экосистем. Эти данные используются для восстановления и защиты среды обитания, но их сбор в настоящее время обходится дорого.
Обнаружение краев — это инструмент обработки изображений, который извлекает контур объекта, помогая отличить объекты от фона. В настоящее время это цифровой процесс, который происходит после захвата изображения и требует громоздких процессоров и традиционных систем обработки изображений. Эта форма цифрового обнаружения границ создает большое количество данных, которые необходимо обработать, сохранить и передать.
Аналоговый фильтр изображения, разработанный исследователями TMOS и их партнерами, уменьшает объект до его очертаний перед захватом изображения, что резко сокращает объем получаемых данных. При необходимости он также может переключаться на нефильтрованное детальное инфракрасное изображение, что является новой разработкой и может позволить фермерам собирать больше информации, когда удаленный датчик определяет области потенциального заражения вредителями.
Толщина фильтра составляет всего несколько нанометров, с тонким слоем материала с фазовым переходом диоксида ванадия (VO2), встроенный в более толстую метаповерхность кремния. При изменении температуры фильтра VO2 переходит из изолирующего состояния в металлическое, а обработанное изображение переходит от фильтрованного контура к нефильтрованному инфракрасному изображению.
Метаоптика (также известная как плоская оптика и нанофотоника) — это новая область, которая миниатюризирует оптические технологии путем замены традиционных линз метаповерхностями. Фильтр можно комбинировать с металинзой, чтобы значительно уменьшить размер систем формирования изображений, что делает его идеальным для использования на дронах, спутниках и в других приложениях, требующих небольших размеров, веса и мощности.
Ведущий автор Мишель Котруфо говорит: «Хотя в нескольких недавних демонстрациях было достигнуто аналоговое обнаружение границ с использованием метаповерхностей, большинство продемонстрированных до сих пор устройств являются статическими. Их функциональность фиксирована во времени и не может быть динамически изменена или проконтролирована.
«Тем не менее, способность динамически реконфигурировать операции обработки является ключом к тому, чтобы метаповерхности могли конкурировать с системами цифровой обработки изображений. Это то, что мы разработали».
Важно отметить, что, предлагая столь востребованную возможность реконфигурации, метаповерхность соответствовала характеристикам своих статических аналогов с точки зрения числовой апертуры, эффективности, изотропии и независимости поляризации.
Партнер-исследователь TMOS Андреа Алу говорит: «Мы использовали голосовой2 слой и локальный нагревательный элемент в качестве доказательства концепции. Теперь есть возможность расширить исследования, включив в них нелетучие материалы с фазовым переходом, которые не требуют нагрева, или интегрировать их с внешним лазером накачки для оптически индуцированного нагрева. Последний сценарий может открыть интересные возможности для полностью оптически реконфигурируемых нелинейных аналоговых вычислений».
Прототип был изготовлен главным исследователем TMOS Мадху Бхаскаран и ее командой в Университете RMIT. Бхаскаран говорит: «Материалы с фазовым переходом, такие как диоксид ванадия, добавляют фантастические возможности настройки, делая устройства «умными». Как мы продемонстрировали, эти материалы имеют большое значение в футуристических устройствах с плоской оптикой».
Соавтор Шабан Сулейман из Мельбурнского университета говорит: «Что интересно в этом фильтре, так это то, что конструкция и используемые материалы делают его пригодным для массового производства. Он также работает при температурах, совместимых со стандартными технологиями производства, что делает его хорошо подходящим для интегрироваться с коммерчески доступными системами и, следовательно, так быстро перейти от исследований к реальному использованию».
Главный исследователь TMOS Энн Робертс, также из Мельбурнского университета, говорит: «Метаоптика обладает потенциалом трансформировать бесчисленное множество отраслей, и делает это быстро. Традиционные оптические элементы уже давно являются узким местом, препятствующим дальнейшей миниатюризации устройств. замена или дополнение традиционных оптических элементов тонкопленочной оптикой позволяет преодолеть это узкое место.
«Для таких отраслей, как сельское хозяйство, это может означать мониторинг условий окружающей среды в реальном времени, улучшение изображений с платформ дистанционного зондирования, таких как дроны или спутники, и более обширный сбор данных без соответствующих логистических проблем, которые обычно сопровождают его».
Предоставлено Центром передового опыта ARC по трансформационным метаоптическим системам (TMOS).