I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnologia che utilizza dispositivi meta-ottici per eseguire l'imaging termico. L'approccio fornisce informazioni più ricche sugli oggetti ripresi, che potrebbero ampliare l'uso dell'imaging termico in campi quali la navigazione autonoma, la sicurezza, la termografia, l'imaging medico e il telerilevamento.
"Il nostro metodo supera le sfide delle tradizionali termocamere spettrali, che sono spesso ingombranti e delicate a causa della loro dipendenza da grandi ruote portafiltri o interferometri", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Zubin Jacob della Purdue University. "Abbiamo combinato dispositivi meta-ottici e algoritmi di imaging computazionale all'avanguardia per creare un sistema compatto e robusto, pur avendo un ampio campo visivo."
In Ottica , gli autori descrivono il loro nuovo sistema di decomposizione spettro-polarimetrica, che utilizza una pila di metasuperfici rotanti per scomporre la luce termica nelle sue componenti spettrali e polarimetriche. Ciò consente al sistema di imaging di acquisire i dettagli spettrali e di polarizzazione della radiazione termica oltre alle informazioni sull'intensità acquisite con l'imaging termico tradizionale.
I ricercatori hanno dimostrato che il nuovo sistema può essere utilizzato con una termocamera commerciale per classificare con successo vari materiali, un compito che in genere è impegnativo per le termocamere convenzionali. La capacità del metodo di distinguere le variazioni di temperatura e identificare i materiali in base alle firme spettropolarimetriche potrebbe contribuire a migliorare la sicurezza e l'efficienza per una varietà di applicazioni, inclusa la navigazione autonoma.
"Gli approcci tradizionali alla navigazione autonoma fanno molto affidamento sulle telecamere RGB, che faticano in condizioni difficili come scarsa illuminazione o maltempo", ha affermato il primo autore dell'articolo Xueji Wang, ricercatore post-dottorato presso la Purdue University.
"Se integrata con la tecnologia di rilevamento e misurazione assistita dal calore, la nostra termocamera spettropolarimetrica può fornire informazioni vitali in questi scenari difficili, offrendo immagini più chiare rispetto alle termocamere RGB o convenzionali. Una volta ottenuta l'acquisizione video in tempo reale, la tecnologia potrebbe significativamente migliorare la percezione della scena e la sicurezza generale."
L'imaging spettropolarimetrico nell'infrarosso a onde lunghe è fondamentale per applicazioni quali la visione notturna, la visione artificiale, il rilevamento di gas in tracce e la termografia. Tuttavia, gli odierni imager spettropolarimetrici a infrarossi a onde lunghe sono ingombranti e limitati in termini di risoluzione spettrale e campo visivo.
Per superare queste limitazioni i ricercatori si sono rivolti a metasuperfici di grandi dimensioni, superfici strutturate ultrasottili che possono manipolare la luce in modi complessi. Dopo aver progettato metasuperfici dispersive rotanti con risposte infrarosse personalizzate, hanno sviluppato un processo di fabbricazione che ha consentito di utilizzare queste metasuperfici per creare dispositivi rotanti di ampia area (2,5 cm di diametro) adatti per applicazioni di imaging. La pila rotante risultante misura meno di 10 x 10 x 10 cm e può essere utilizzata con una tradizionale fotocamera a infrarossi.
"L'integrazione di questi dispositivi meta-ottici di vasta area con algoritmi di imaging computazionale ha facilitato la ricostruzione efficiente dello spettro della radiazione termica", ha affermato Wang. "Ciò ha consentito di realizzare un sistema di imaging termico spettropolarimetrico più compatto, robusto ed efficace di quanto si potesse ottenere in precedenza."
Classificazione dei materiali con la termografia
Per valutare il loro nuovo sistema, i ricercatori hanno chiamato "Purdue" utilizzando vari materiali e microstrutture, ciascuno con proprietà spettropolarimetriche uniche. Utilizzando le informazioni spettropolarimetriche acquisite con il sistema, hanno distinto accuratamente i diversi materiali e oggetti.
Hanno inoltre dimostrato un aumento di tre volte della precisione di classificazione dei materiali rispetto ai tradizionali metodi di imaging termico, evidenziando l'efficacia e la versatilità del sistema.
I ricercatori affermano che il nuovo metodo potrebbe essere particolarmente utile per le applicazioni che richiedono immagini termiche dettagliate. "Nel settore della sicurezza, ad esempio, potrebbe rivoluzionare i sistemi aeroportuali rilevando oggetti o sostanze nascoste sulle persone", ha affermato Wang. "Inoltre, il suo design compatto e robusto ne migliora l'idoneità a diverse condizioni ambientali, rendendolo particolarmente vantaggioso per applicazioni come la navigazione autonoma."
Oltre a lavorare per ottenere l'acquisizione video con il sistema, i ricercatori stanno cercando di migliorare la risoluzione spettrale della tecnica, l'efficienza di trasmissione e la velocità di acquisizione ed elaborazione delle immagini.
Prevedono inoltre di migliorare la progettazione della metasuperficie per consentire una manipolazione della luce più complessa per una risoluzione spettrale più elevata. Inoltre, vogliono estendere il metodo all'imaging a temperatura ambiente poiché l'uso di pile di metasuperfici ha limitato il metodo agli oggetti ad alta temperatura. Hanno intenzione di farlo utilizzando materiali migliorati, design della metasuperficie e tecniche come i rivestimenti antiriflesso.
Ulteriori informazioni: Xueji Wang et al, Stack di metasuperfici rotanti per imaging termico spettropolarimetrico, Optica (2023). DOI:10.1364/OTTICA.506813
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