Novo filtro de detecção de borda baseado em metassuperfície para sensoriamento remoto pode transformar o monitoramento de culturas

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Resposta óptica medida experimentalmente da metassuperfície fabricada. Imagens de microscópio eletrônico de varredura da metassuperfície fabricada. Barras de escala = 2 µm em (a) e 500 nm em (b). A imagem de cor falsa em (b) mostra a placa de silício (verde) e o VO₂ subjacente filme (vermelho). c Espectro de transmissão do dispositivo. Evolução do espectro de transmissão de incidência normal da metassuperfície em (c), à medida que a temperatura aumenta lentamente (d) e diminui (e). Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3

Novo trabalho realizado por pesquisadores do Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos (TMOS) e da City University of New York (CUNY) publicado em 27 de maio na Nature Communications realiza um novo filtro de detecção de borda ajustável para sistemas de imagem óptica plana que pode alternar entre uma imagem do contorno de um objeto e uma imagem infravermelha detalhada.

O desenvolvimento de processadores de imagem analógicos compactos e leves para detecção de bordas é de particular interesse para aplicações de sensoriamento remoto, como monitoramento e vigilância ambiental, devido ao seu potencial para minimizar o tamanho do drone, estender os tempos de implantação e reduzir custos operacionais. Esta nova pesquisa é um grande passo para a realização deste dispositivo, com a funcionalidade adicional da imagem infravermelha padrão.

Isto poderia resultar em produtos de mercearia mais baratos, uma vez que os agricultores são mais capazes de identificar com precisão quais as culturas que requerem irrigação, fertilização e controlo de pragas, em vez de adoptarem uma abordagem abrangente à gestão das culturas.

Também poderia ajudar nos esforços para proteger espécies ameaçadas, uma vez que os sistemas de detecção de bordas podem fornecer dados valiosos sobre os tipos de habitat e os limites dos ecossistemas. Esses dados são usados para restauração e proteção de habitats, mas atualmente sua coleta é cara.

A detecção de bordas é uma ferramenta de processamento de imagens que extrai o contorno de um objeto, ajudando a distinguir objetos de seus fundos. Atualmente, é um processo digital que ocorre após a captura de uma imagem e requer processadores volumosos e sistemas de imagem tradicionais. Essa forma de detecção digital de bordas cria muitos dados que precisam ser processados, armazenados e transmitidos.

O filtro de imagem analógico desenvolvido pelos pesquisadores do TMOS e seus parceiros reduz o assunto aos seus contornos antes da captura da imagem, reduzindo drasticamente a quantidade de dados produzidos. Ele também pode mudar para uma imagem infravermelha detalhada e não filtrada quando necessário, o que é um desenvolvimento inovador e pode permitir que os agricultores coletem mais informações quando o sensor remoto identificar áreas de possíveis infestações de pragas.

O filtro tem apenas nanômetros de espessura, com uma fina camada do material de mudança de fase dióxido de vanádio (VO₂ ) incorporado em uma metassuperfície de silício mais espessa. Quando a temperatura do filtro é alterada, o VO₂ transita de um estado isolante para um metálico, e a imagem processada muda de um contorno filtrado para uma imagem infravermelha não filtrada.

Meta-óptica (também conhecida como óptica plana e nanofotônica) é um novo campo que está miniaturizando a tecnologia óptica, substituindo lentes tradicionais por metassuperfícies. O filtro pode ser combinado com um metalens para reduzir significativamente o tamanho dos sistemas de imagem, tornando-o ideal para uso em drones, satélites e outras aplicações que exigem baixos requisitos de tamanho, peso e energia.

A autora principal, Michele Cotrufo, diz:"Embora algumas demonstrações recentes tenham alcançado a detecção analógica de bordas usando metassuperfícies, a maioria dos dispositivos demonstrados até agora são estáticos. Sua funcionalidade é fixada no tempo e não pode ser alterada ou controlada dinamicamente.

"No entanto, a capacidade de reconfigurar dinamicamente as operações de processamento é fundamental para que as metassuperfícies possam competir com os sistemas de processamento de imagens digitais. Isto é o que desenvolvemos."

É importante ressaltar que, ao mesmo tempo que oferece a tão procurada reconfigurabilidade, a metassuperfície corresponde ao desempenho de suas contrapartes estáticas em termos de abertura numérica, eficiência, isotropia e independência de polarização.

A investigadora parceira da TMOS, Andrea Alu, diz:"Usamos um VO₂ camada e elemento de aquecimento local como prova de conceito. Agora, há potencial para expandir a pesquisa para incluir materiais de mudança de fase não voláteis, que não requerem aquecimento, ou para integrá-los a uma bomba laser externa para aquecimento induzido opticamente. O último cenário pode abrir caminhos interessantes para a computação analógica não-linear totalmente reconfigurável opticamente."

O protótipo foi fabricado pelo investigador-chefe do TMOS, Madhu Bhaskaran, e sua equipe da Universidade RMIT. Bhaskaran diz:“Materiais de mudança de fase, como o dióxido de vanádio, adicionam uma fantástica capacidade de ajuste para tornar os dispositivos ‘inteligentes’. Conforme demonstrado por nós, esses materiais percorrem um longo caminho em dispositivos ópticos planos futuristas."

O coautor Shaban Sulejman, da Universidade de Melbourne, afirma:"O que é interessante sobre este filtro é que o design e os materiais utilizados o tornam adequado para a fabricação em massa. Ele também opera em temperaturas compatíveis com as técnicas de fabricação padrão, tornando-o bem posicionado para integrar-se com sistemas comercialmente disponíveis e, portanto, passar da pesquisa para o uso no mundo real tão rapidamente."

A investigadora-chefe do TMOS, Ann Roberts, também da Universidade de Melbourne, diz:"A meta-óptica tem o potencial de transformar inúmeras indústrias, e está fazendo isso rapidamente. Os elementos ópticos tradicionais têm sido o gargalo que impede a miniaturização adicional dos dispositivos. A capacidade substituir ou complementar elementos ópticos tradicionais com óptica de filme fino rompe esse gargalo.

“Para indústrias como a agricultura, isto pode significar monitorização em tempo real das condições ambientais, imagens melhoradas de plataformas de detecção remota, como drones ou satélites, e uma recolha de dados mais extensa, sem os desafios logísticos correspondentes que normalmente a acompanham.”

Mais informações: Michele Cotrufo et al, Metasuperfícies de processamento de imagem reconfiguráveis com materiais de mudança de fase, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos (TMOS)

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