Os pesquisadores desenvolveram uma nova tecnologia que usa dispositivos meta-ópticos para realizar imagens térmicas. A abordagem fornece informações mais ricas sobre objetos fotografados, o que poderia ampliar o uso de imagens térmicas em áreas como navegação autônoma, segurança, termografia, imagens médicas e sensoriamento remoto.



"Nosso método supera os desafios dos termovisores espectrais tradicionais, que muitas vezes são volumosos e delicados devido à dependência de grandes rodas de filtros ou interferômetros", disse o líder da equipe de pesquisa Zubin Jacob, da Purdue University. "Combinamos dispositivos meta-ópticos e algoritmos de imagem computacional de última geração para criar um sistema que é compacto e robusto, ao mesmo tempo que possui um grande campo de visão."

Em Óptica , os autores descrevem seu novo sistema de decomposição espectropolarimétrica, que usa uma pilha de metassuperfícies giratórias para quebrar a luz térmica em seus componentes espectrais e polarimétricos. Isso permite que o sistema de imagem capture os detalhes espectrais e de polarização da radiação térmica, além das informações de intensidade adquiridas com a imagem térmica tradicional.

Os pesquisadores mostraram que o novo sistema pode ser usado com uma câmera térmica comercial para classificar com sucesso vários materiais, uma tarefa que normalmente é desafiadora para câmeras térmicas convencionais. A capacidade do método de distinguir variações de temperatura e identificar materiais com base em assinaturas espectropolarimétricas poderia ajudar a aumentar a segurança e a eficiência para uma variedade de aplicações, incluindo a navegação autônoma.

“As abordagens tradicionais de navegação autônoma dependem fortemente de câmeras RGB, que enfrentam condições desafiadoras, como pouca luz ou mau tempo”, disse o primeiro autor do artigo, Xueji Wang, pesquisador de pós-doutorado na Universidade Purdue.

"Quando integrada à tecnologia de detecção e alcance assistida por calor, nossa câmera térmica espectropolarimétrica pode fornecer informações vitais nesses cenários difíceis, oferecendo imagens mais nítidas do que RGB ou câmeras térmicas convencionais. Assim que conseguirmos a captura de vídeo em tempo real, a tecnologia poderá significativamente melhorar a percepção da cena e a segurança geral."

Fazer mais com um gerador de imagens menor

A imagem espectropolarimétrica no infravermelho de ondas longas é crucial para aplicações como visão noturna, visão mecânica, detecção de gases residuais e termografia. No entanto, os atuais geradores de imagens espectropolarimétricas de infravermelho de ondas longas são volumosos e limitados em resolução espectral e campo de visão.

Para superar essas limitações, os pesquisadores recorreram a metassuperfícies de grandes áreas – superfícies estruturadas ultrafinas que podem manipular a luz de maneiras complexas. Depois de projetar metassuperfícies dispersivas giratórias com respostas infravermelhas personalizadas, eles desenvolveram um processo de fabricação que permitiu que essas metassuperfícies fossem usadas para criar dispositivos giratórios de grandes áreas (2,5 cm de diâmetro) adequados para aplicações de imagem. A pilha giratória resultante mede menos de 10 x 10 x 10 cm e pode ser usada com uma câmera infravermelha tradicional.

“A integração desses dispositivos meta-ópticos de grande área com algoritmos de imagem computacional facilitou a reconstrução eficiente do espectro de radiação térmica”, disse Wang. "Isso permitiu um sistema de imagem térmica espectropolarimétrica mais compacto, robusto e eficaz do que era possível anteriormente."

Classificação de materiais com imagens térmicas

Para avaliar o seu novo sistema, os investigadores descreveram "Purdue" utilizando vários materiais e microestruturas, cada um com propriedades espectropolarimétricas únicas. Usando as informações espectropolarimétricas adquiridas com o sistema, eles distinguiram com precisão os diferentes materiais e objetos.

Eles também demonstraram um aumento de três vezes na precisão da classificação de materiais em comparação com os métodos tradicionais de imagem térmica, destacando a eficácia e versatilidade do sistema.

Os pesquisadores dizem que o novo método pode ser especialmente útil para aplicações que exigem imagens térmicas detalhadas. “Na segurança, por exemplo, poderia revolucionar os sistemas aeroportuários ao detectar itens ou substâncias escondidas nas pessoas”, disse Wang. "Além disso, o seu design compacto e robusto aumenta a sua adequação a diversas condições ambientais, tornando-o particularmente benéfico para aplicações como a navegação autónoma."

Além de trabalhar para conseguir a captura de vídeo com o sistema, os pesquisadores estão tentando aprimorar a resolução espectral da técnica, a eficiência de transmissão e a velocidade de captura e processamento de imagens.

Eles também planejam melhorar o design da metassuperfície para permitir uma manipulação de luz mais complexa para maior resolução espectral. Além disso, eles querem estender o método para imagens em temperatura ambiente, uma vez que o uso de pilhas de metassuperfícies restringiu o método a objetos de alta temperatura. Eles planejam fazer isso usando materiais aprimorados, designs de metassuperfícies e técnicas como revestimentos antirreflexo.

Mais informações: Xueji Wang et al, Spinning Metasurface Stack for Spectro-polarimetric Thermal Imaging, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.506813
Informações do diário: Óptica

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