Un team di ricerca di ingegneri Vanderbilt che include uno scienziato dell'Oak Ridge National Laboratory ha dimostrato un nuovo filtro ultrasottile, basato su metamateriali, che consente l'elaborazione di immagini ottiche analogiche. Il loro lavoro, Ottica piatta per la differenziazione dell'immagine, appare oggi sulla rivista scientifica, Fotonica della natura .

Mentre l'elaborazione delle immagini digitali è diventata la tecnica prevalente in una varietà di discipline scientifiche e ingegneristiche, richiede computer avanzati, spazio per ospitare il computer, e potere sostanziale.

"La maggior parte dell'elaborazione delle immagini viene eseguita digitalmente, ma l'elaborazione analogica ottica ha i vantaggi di essere a bassa potenza e alta velocità, "ha detto Jason Valentino, professore associato di ingegneria meccanica e vicedirettore del Vanderbilt Institute of Nanoscale Science and Engineering. Sebbene l'elaborazione dell'immagine ottica sia stata eseguita in passato, generalmente richiede più obiettivi ottici con conseguente grande dimensione del sistema.

Il filtro metamateriale, il primo del suo genere, differenzia direttamente la luce in ingresso, permettendo di visualizzare direttamente i bordi, o confini, dell'oggetto.

"Il filtraggio dei bordi è una fase di pre-elaborazione comune nel riconoscimento degli oggetti, ad esempio, rilevamento del bordo di una corsia per veicoli autonomi. Può anche essere utilizzato per rilevare i margini dei tumori nell'immaginazione medica o per classificare le dimensioni e il tipo delle cellule nel caso della selezione cellulare per l'individuazione del cancro, " disse Valentino.

Il filtro metamateriale si basa su un cristallo fotonico bidimensionale in silicio che consente l'imaging diretto dei bordi di un oggetto in tutte le direzioni. Il "differenziatore nanofotonico" può essere integrato in un microscopio ottico o in un sensore di fotocamera, adattare facilmente un sistema di elaborazione delle immagini esistente.

"Uno dei principali vantaggi del nostro approccio è la capacità di integrare il metamateriale con i sistemi ottici tradizionali. Ad esempio, abbiamo costruito un microscopio per il rilevamento dei bordi semplicemente posizionando il filtro metamateriale all'interno di un microscopio ottico commerciale, "dissi Tu Zhou, un dottorato di ricerca studente del Programma Interdisciplinare di Scienza dei Materiali e uno dei quattro autori. I test includevano l'imaging delle cellule dell'epidermide della cipolla, gambo di zucca e nervo motore di maiale.

Anche il filtro, più sottile di un capello umano, era integrato con una lente a base di metamateriali, risultando completamente piatto, e un'ottica ultrasottile in grado di eseguire l'imaging dei bordi. Ciò riduce ulteriormente le dimensioni dei sistemi ottici tradizionali utilizzati a tale scopo.

"La caratteristica chiave è la capacità di eseguire l'elaborazione delle immagini alla velocità della luce senza richiedere alimentazione in ingresso e farlo in un fattore di forma estremamente sottile, " Valentine ha detto. "Questo apre nuove porte per l'elaborazione di immagini analogiche ottiche in tempo reale e ad alta velocità in applicazioni come la visione artificiale e l'imaging biologico".