Poiché l'identificazione degli oggetti e le tecniche di ricostruzione tridimensionale (3D) diventano essenziali in vari campi del reverse engineering, dell'intelligenza artificiale, della diagnosi medica e della produzione industriale, vi è una crescente attenzione nella ricerca di metodi estremamente efficienti, più rapidi e più integrati in grado di semplificare elaborazione.
Nell'attuale campo dell'identificazione degli oggetti e della ricostruzione 3D, l'estrazione delle informazioni sui contorni del campione viene eseguita principalmente da vari algoritmi informatici. I processori per computer tradizionali soffrono di molteplici vincoli, come il consumo elevato, il funzionamento a bassa velocità e algoritmi complessi. A questo proposito, recentemente c'è stata una crescente attenzione nella ricerca di metodi ottici alternativi per eseguire tali tecniche.
Lo sviluppo della teoria del calcolo ottico e dell'elaborazione delle immagini ha fornito una base teorica più completa per l'identificazione degli oggetti e le tecniche di ricostruzione 3D. Negli ultimi anni i metodi ottici hanno ricevuto maggiore attenzione come paradigma alternativo rispetto ai meccanismi tradizionali grazie agli enormi vantaggi di velocità operativa ultraveloce, elevata integrazione e bassa latenza.
Essendo nanostrutture bidimensionali progettate su scala sub-lunghezza d'onda, le metasuperfici hanno mostrato notevoli capacità negli sviluppi rivoluzionari dell'ottica, che possono effettivamente semplificare e integrare profondamente l'impronta dei sistemi ottici.
Nelle applicazioni pratiche, le metasuperfici hanno dimostrato la capacità di manipolare in modo efficiente diversi parametri della luce. Di conseguenza, le metasuperfici vengono impiegate in numerosi campi potenziali, come il calcolo ottico-analogico, la crittografia ottica, la progettazione di dispositivi ottici, la manipolazione del segnale, l'imaging al microscopio, l'imaging ottico e la nanopittura.
In quanto componente artificiale bidimensionale progettato, la metasuperficie del calcolo ottico ha mostrato il carattere soprannaturale del controllo della fase, dell'ampiezza, della polarizzazione e delle distribuzioni di frequenza del raggio luminoso, in grado di eseguire operazioni matematiche sul campo luminoso in ingresso.
Recentemente, il gruppo di ricerca dei professori Hailu Luo della Scuola di Fisica ed Elettronica dell'Università di Hunan in Cina ha proposto un'identificazione di oggetti completamente ottica e una tecnica di ricostruzione 3D basata su metasuperfici di calcolo ottico. A differenza dei meccanismi tradizionali, questo schema riduce il consumo di memoria nell'elaborazione dell'estrazione della superficie del contorno. L'identificazione e la ricostruzione dei risultati sperimentali di oggetti ad alto e basso contrasto concordano bene con gli oggetti reali. L'esplorazione dell'identificazione completamente ottica degli oggetti e delle tecniche di ricostruzione 3D fornisce potenziali applicazioni di sistemi compatti e ad alta efficienza, a basso consumo.
Gli autori dell'articolo, pubblicato su Opto-Electronic Advances , propongono un'identificazione degli oggetti completamente ottica e una tecnica di ricostruzione 3D basata sulla metasuperficie del calcolo ottico. Progettando e fabbricando una metasuperficie di calcolo ottico, vengono realizzate l'identificazione completamente ottica degli oggetti e la ricostruzione 3D di oggetti ad alto e basso contrasto.
Diversamente dalla precedente ricerca sull'imaging 3D basata sulla metasuperficie, questo metodo si basa sul calcolo analogico ottico per ottenere le informazioni sul contorno degli oggetti e può ottenere l'identificazione dell'oggetto e la ricostruzione 3D sia di oggetti ad alto contrasto che di oggetti a basso contrasto, che possono fornire un'applicazione unica del calcolo analogico ottico basato sulla metasuperficie. Il principio del sistema di identificazione degli oggetti è illustrato schematicamente in Fig. 1(a).
Quando l'oggetto osservato viene aggiunto al sistema, il sistema può emettere le informazioni sul contorno dell'oggetto tramite il metodo completamente ottico. La capacità di identificazione degli oggetti di questo sistema può essere estesa anche alla tecnologia di ricostruzione 3D completamente ottica. Ricombinando diverse immagini di proiezione dell'oggetto osservato, è possibile ottenere un modello 3D dell'oggetto osservato, sia che si tratti di un oggetto ad alto contrasto o di un oggetto a basso contrasto [Fig. 1(b)].
In teoria la superficie del contorno 3D di un oggetto ad alto contrasto può essere considerata come una sovrapposizione di infiniti contorni bidimensionali. Pertanto, per oggetti ad alto contrasto, vengono proposti il metodo della rotazione e il metodo delle sezioni per ottenere la ricostruzione 3D. Per gli oggetti a basso contrasto, il modello di ricostruzione 3D può essere acquisito rompendo la tecnica dello stato di polarizzazione ortogonale.
Per confermare la fattibilità della ricostruzione 3D nello schema sopra, nella Figura 2 (a) viene presa come esempio una sfera. Ruotando l'oggetto a intervalli uguali nel sistema ottico, la telecamera CCD può catturare più risultati del contorno dell'oggetto su diversi piani di proiezione, come mostrato in Fig. 2 (b). Infine, il modello di ricostruzione sperimentale 3D dell'oggetto ad alto contrasto può essere ricostruito riorganizzando e combinando l'intera informazione del contorno [Fig. 2(c)].
Nelle Figg. 3(d)–3(e), semi di coriandolo, modello di fungo e modello di lecca-lecca sono stati utilizzati per dimostrare questo processo ricostruito. In teoria, quanto più piccolo è l'angolo di spaziatura, tanto più accurato sarà il modello ricostruito. Come dimostrazioni di prova, utilizzando solo i contorni limitati per illustrare la fattibilità di questo schema per la ricostruzione 3D, i risultati dell'esperimento dimostrano che questa tecnica è facilitativa e accurata.
Senza perdere in generalità, il gruppo di ricerca si concentra su oggetti ad alto contrasto con superfici di contorno complesse. Per alcuni oggetti ad alto contrasto con superfici complesse, il metodo di ricostruzione 3D mediante rotazione degli oggetti non è più applicabile. Pertanto, questo gruppo ha proposto un altro metodo di ricostruzione 3D affettando gli oggetti. Prendendo come esempio una sfera in Fig. 3 (a), gli oggetti vengono tagliati a piccoli intervalli e più risultati di contorno dell'oggetto su diversi piani di proiezione possono essere catturati da una telecamera CCD, come mostrato in Fig. 3 (b).
Infine, il modello di ricostruzione sperimentale 3D dell'oggetto ad alto contrasto può essere ricostruito riorganizzando e combinando l'intera informazione del contorno [Fig. 3(c)]. Teoricamente, maggiore è la precisione del processo di slicing, più accurato sarà il modello 3D ricostruito. Come dimostrazioni di prova, alcune geometrie semplici con caratteristiche distinte, come scanalatura, atterraggio e sporgenza, sono state utilizzate per verificare questo esperimento nelle Figg. 3(d1)–3(f1).
Affettando questi tre oggetti per ottenere le informazioni sul contorno su piani diversi, riorganizzando e combinando tali informazioni sul contorno e infine ottenendo il modello di ricostruzione sperimentale 3D su di essi nelle Figg. 3(d2)–3(f2). Che si tratti di una scanalatura con una tacca all'interno, di un rilievo rialzato all'esterno o di un pianerottolo smussato, le forme e le dimensioni dei modelli di ricostruzione sperimentale 3D sono in buon accordo con gli oggetti originali. Questo metodo ha una potenziale applicazione per la ricostruzione 3D di oggetti con superfici complesse o strutture interne.
Esplorando l'applicazione di un sistema di calcolo analogico completamente ottico basato sulla metasuperficie del calcolo ottico, vengono proposte e realizzate un'identificazione ottica di oggetti e una tecnica di ricostruzione 3D per oggetti ad alto e basso contrasto. Si prevede che questo lavoro verrà applicato allo screening dei semi, al rilevamento della topografia superficiale e alla ricostruzione 3D microscopica quantitativa. Questa ricerca fornirà una direzione unica per l'elaborazione delle immagini e il rilevamento industriale.
Ulteriori informazioni: Dingyu Xu et al, Identificazione completamente ottica di oggetti e ricostruzione tridimensionale basata sulla metasuperficie del calcolo ottico, Progressi optoelettronici (2023). DOI:10.29026/oea.2023.230120
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