Un nuovo lavoro dei ricercatori dell'ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) e della City University of New York (CUNY) è stato pubblicato il 27 maggio su Nature Communications realizza un nuovo filtro di rilevamento dei bordi personalizzabile per sistemi di imaging a ottica piatta che può passare da un'immagine del contorno di un oggetto a un'immagine a infrarossi dettagliata.
Lo sviluppo di processori di immagini compatti e leggeri per il rilevamento dei bordi analogici è di particolare interesse per applicazioni di telerilevamento come il monitoraggio e la sorveglianza ambientale, grazie al suo potenziale di ridurre al minimo le dimensioni dei droni, estendere i tempi di implementazione e ridurre i costi operativi. Questa nuova ricerca rappresenta un grande passo avanti verso la realizzazione di questo dispositivo, con la funzionalità aggiuntiva dell'imaging a infrarossi standard.
Ciò potrebbe comportare generi alimentari più economici poiché gli agricoltori sono in grado di individuare con maggiore precisione quali colture richiedono irrigazione, fertilizzazione e controllo dei parassiti invece di adottare un approccio globale alla gestione delle colture.
Potrebbe anche contribuire agli sforzi volti a proteggere le specie in via di estinzione poiché i sistemi di rilevamento dei bordi possono fornire dati preziosi sui tipi di habitat e sui confini degli ecosistemi. Questi dati vengono utilizzati per il ripristino e la protezione degli habitat, ma attualmente la loro raccolta è costosa.
Il rilevamento dei bordi è uno strumento di elaborazione delle immagini che estrae il contorno di un oggetto, aiutando a distinguere gli oggetti dai loro sfondi. Attualmente si tratta di un processo digitale che avviene dopo l'acquisizione di un'immagine e richiede processori ingombranti e sistemi di imaging tradizionali. Questa forma di rilevamento dei bordi digitali crea molti dati che devono essere elaborati, archiviati e trasmessi.
Il filtro dell'immagine analogica sviluppato dai ricercatori TMOS e dai loro partner riduce il soggetto ai suoi contorni prima di catturare l'immagine, riducendo drasticamente la quantità di dati prodotti. Quando necessario, può anche passare a un'immagine a infrarossi dettagliata e non filtrata, il che rappresenta uno sviluppo innovativo e potrebbe consentire agli agricoltori di raccogliere più informazioni quando il sensore remoto identifica aree di potenziali infestazioni di parassiti.
Il filtro ha uno spessore di soli nanometri, con un sottile strato del materiale a cambiamento di fase biossido di vanadio (VO2 ) incorporato all'interno di una metasuperficie di silicio più spessa. Quando la temperatura del filtro viene modificata, il VO2 passa da uno stato isolante a uno metallico e l'immagine elaborata passa da un contorno filtrato a un'immagine a infrarossi non filtrata.
La metaottica (nota anche come ottica piatta e nanofotonica) è un nuovo campo che sta miniaturizzando la tecnologia ottica sostituendo le lenti tradizionali con metasuperfici. Il filtro può essere combinato con un metalens per ridurre notevolmente le dimensioni dei sistemi di imaging, rendendolo ideale per l'uso su droni, satelliti e altre applicazioni che richiedono requisiti di dimensioni, peso e potenza ridotti.
L'autore principale Michele Cotrufo afferma:"Mentre alcune recenti dimostrazioni hanno ottenuto il rilevamento analogico dei bordi utilizzando metasuperfici, la maggior parte dei dispositivi dimostrati finora sono statici. La loro funzionalità è fissata nel tempo e non può essere modificata o controllata dinamicamente.
"Tuttavia, la capacità di riconfigurare dinamicamente le operazioni di elaborazione è fondamentale affinché le metasuperfici possano competere con i sistemi di elaborazione delle immagini digitali. Questo è ciò che abbiamo sviluppato."
È importante sottolineare che, pur offrendo la tanto ricercata riconfigurabilità, la metasuperficie eguagliava le prestazioni delle sue controparti statiche in termini di apertura numerica, efficienza, isotropia e indipendenza dalla polarizzazione.
Andrea Alu, ricercatore partner di TMOS, afferma:"Abbiamo utilizzato un VO2 strato ed elemento riscaldante locale come prova di concetto. Ora esiste il potenziale per espandere la ricerca per includere materiali a cambiamento di fase non volatili, che non richiedono riscaldamento, o per integrarla con una pompa laser esterna per il riscaldamento indotto otticamente. Quest'ultimo scenario può aprire strade interessanti per il calcolo analogico non lineare completamente riconfigurabile otticamente."
Il prototipo è stato fabbricato dal capo investigatore del TMOS Madhu Bhaskaran e dal suo team presso l'Università RMIT. Bhaskaran afferma:"I materiali a cambiamento di fase come il biossido di vanadio aggiungono una fantastica capacità di regolazione per rendere i dispositivi 'intelligenti'. Come abbiamo dimostrato, questi materiali contribuiscono notevolmente alla realizzazione di futuristici dispositivi ad ottica piatta."
Il coautore Shaban Sulejman dell'Università di Melbourne afferma:"La cosa interessante di questo filtro è che il design e i materiali utilizzati lo rendono adatto alla produzione di massa. Funziona anche a temperature compatibili con le tecniche di produzione standard, rendendolo ben posizionato per integrarsi con i sistemi disponibili in commercio e quindi passare dalla ricerca all'utilizzo nel mondo reale in modo così rapido."
La ricercatrice capo di TMOS Ann Roberts, anch'essa dell'Università di Melbourne, afferma:"La meta-ottica ha il potenziale per trasformare innumerevoli industrie, e lo sta facendo rapidamente. Gli elementi ottici tradizionali sono stati a lungo il collo di bottiglia che ha impedito l'ulteriore miniaturizzazione dei dispositivi. La capacità sostituire o integrare gli elementi ottici tradizionali con ottiche a film sottile risolve questo collo di bottiglia.
"Per settori come l'agricoltura, ciò potrebbe significare il monitoraggio in tempo reale delle condizioni ambientali, immagini migliorate da piattaforme di telerilevamento come droni o satelliti e una raccolta dati più estesa senza le corrispondenti sfide logistiche che di solito l'accompagnano."
Ulteriori informazioni: Michele Cotrufo et al, Metasuperfici riconfigurabili per l'elaborazione delle immagini con materiali a cambiamento di fase, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Centro di eccellenza ARC per i sistemi meta-ottici trasformativi (TMOS)
