Obracające się powierzchnie metalowe umożliwiają wbudowane obrazowanie termowizyjne

WASZYNGTON – Naukowcy opracowali nową technikę wykorzystującą urządzenia optyczne do wykonywania obrazowania termowizyjnego. Takie podejście zapewnia bogatszą informację o obrazowanych obiektach, co może rozszerzyć zastosowanie termowizji w takich obszarach jak autonomiczna nawigacja, bezpieczeństwo, termowizja, obrazowanie medyczne i teledetekcja.

„Nasza metoda pokonuje wyzwania stojące przed konwencjonalnymi termicznymi obrazami spektroskopowymi, które często są nieporęczne i czułe ze względu na ich zależność od dużych kół filtrowych lub interferometrów” – powiedział kierownik zespołu badawczego Zubin Jacob z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Kalifornii. Uniwersytetu Purdue. „Połączyliśmy metaoptykę i najnowocześniejsze algorytmy obrazowania obliczeniowego, aby stworzyć kompaktowy i solidny system, zapewniający jednocześnie duże pole widzenia”.

W Optica, ważnym czasopiśmie badawczym Optica Publishing Group, autorzy opisują swój nowy system spektroskopii polaryzacyjnej, który wykorzystuje szereg obracających się metapowierzchni do rozkładu światła termicznego na jego składowe widmowe i polaryzacyjne. Dzięki temu system obrazowania może uchwycić szczegóły widma i polaryzacji promieniowania cieplnego, oprócz informacji o natężeniu uzyskanych za pomocą konwencjonalnego obrazowania termowizyjnego.

Naukowcy wykazali, że nowego systemu można używać z komercyjną kamerą termowizyjną do skutecznej klasyfikacji różnych materiałów, co jest zadaniem, które zazwyczaj stanowi wyzwanie w przypadku tradycyjnych kamer termowizyjnych. Zdolność tej metody do rozróżniania zmian temperatury i identyfikacji materiałów w oparciu o polarymetryczne sygnatury widmowe może pomóc w zwiększeniu bezpieczeństwa i wydajności w różnych zastosowaniach, w tym w nawigacji autonomicznej.

„Tradycyjne metody autonomicznej nawigacji opierają się w dużej mierze na kamerach RGB, które radzą sobie w trudnych warunkach, takich jak słabe oświetlenie lub zła pogoda” – powiedział pierwszy autor artykułu, Xueji Wang, pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Purdue. „W połączeniu z technologią wykrywania i określania odległości wspomaganą ciepłem, nasza kamera termowizyjna ze widmem polarnym może dostarczyć istotnych informacji w tych trudnych scenariuszach, zapewniając ostrzejsze obrazy niż kamery RGB lub tradycyjne kamery termowizyjne. Kiedy uda nam się przechwytywać wideo w czasie rzeczywistym, technologia ta może znacznie poprawić percepcja sceny i bezpieczeństwo publiczne.”

Zrób więcej dzięki mniejszemu urządzeniu do przetwarzania obrazu

Obrazowanie spektroskopowe polaryzacyjne w długofalowej podczerwieni ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak noktowizor, widzenie maszynowe, wykrywanie gazu znakującego i obrazowanie termowizyjne. Jednak dzisiejsze długofalowe kamery termowizyjne z polaryzacją spektroskopową są nieporęczne i mają ograniczoną rozdzielczość widmową i pole widzenia.

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, badacze zajęli się wielkoskalowymi metapowierzchniami, czyli bardzo cienkimi powierzchniami strukturalnymi, które mogą manipulować światłem w złożony sposób. Po zaprojektowaniu rozpraszających metapowierzchni za pomocą dostosowanych reakcji w podczerwieni opracowano proces produkcyjny, który umożliwia wykorzystanie tych metapowierzchni do tworzenia urządzeń wirujących o dużej powierzchni (o średnicy 2,5 cm), odpowiednich do zastosowań w obrazowaniu. Powstały stos przędzy ma wymiary mniejsze niż 10 x 10 x 10 cm i można go używać z konwencjonalną kamerą na podczerwień.

„Połączenie tych wielkopowierzchniowych urządzeń fotonicznych z algorytmami obrazowania obliczeniowego ułatwiło skuteczną rekonstrukcję widma promieniowania cieplnego” – powiedział Wang. „Umożliwiło to stworzenie systemu obrazowania termowizyjnego ze widmem polarnym, który jest bardziej kompaktowy, solidny i wydajny, niż było to wcześniej możliwe”.

Klasyfikacja materiałów metodą termowizyjną

Aby ocenić swój nowy system, naukowcy napisali nazwę „Bordeaux”, używając różnych materiałów i mikrostruktur, z których każda miała unikalne właściwości widma polarnego. Wykorzystując informacje o widmie polaryzacji uzyskane z systemu, byli w stanie dokładnie rozróżnić różne materiały i obiekty. Wykazano także trzykrotny wzrost dokładności klasyfikacji materiałów w porównaniu z tradycyjnymi metodami obrazowania termowizyjnego, co podkreśla skuteczność i wszechstronność systemu.

Naukowcy twierdzą, że nowa metoda może być szczególnie przydatna w zastosowaniach wymagających szczegółowego obrazowania termowizyjnego. „Na przykład w zakresie bezpieczeństwa może zrewolucjonizować systemy lotniskowe, wykrywając ukryte przedmioty lub materiały przy ludziach” – powiedział Wang. „Co więcej, jego kompaktowa i solidna konstrukcja zwiększa jego przydatność w różnorodnych warunkach środowiskowych, dzięki czemu jest szczególnie przydatny w zastosowaniach takich jak nawigacja autonomiczna”.

Oprócz pracy nad możliwością przechwytywania wideo za pomocą systemu badacze próbują ulepszyć rozdzielczość widmową tej technologii, wydajność transmisji oraz szybkość przechwytywania i przetwarzania obrazu. Planują także ulepszyć konstrukcję górnej powierzchni, aby umożliwić bardziej złożone przetwarzanie światła w celu uzyskania wyższej rozdzielczości widmowej. Ponadto chcą rozszerzyć tę metodę o obrazowanie w temperaturze pokojowej, ponieważ zastosowanie kominów nadpowierzchniowych ogranicza się do obiektów o wysokiej temperaturze. Planują to osiągnąć przy użyciu ulepszonych materiałów, konstrukcji powierzchni metalowych i technologii, takich jak powłoki antyrefleksyjne.

Papier:

doi:10.1364/optica.506813.

O Optyce