采用相变材料的可重构图像处理超构表面,在AR、遥感和生物医学领域大有可为
2024-06-12 11:14:39   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

采用相变材料的可重构图像处理超构表面为新一代超紧凑、可调且无源的全光计算设备铺平了道路,在增强现实(AR)、遥感和生物医学等领域具有应用潜力。

据麦姆斯咨询报道,纽约市立大学(CUNY)、墨尔本大学、皇家墨尔本理工大学以及开创性超构光学系统ARC卓越中心(TMOS)的研究人员开发了一种在近红外区域工作的无源边缘检测超构表面(metasurfaces),其响应可以通过在CMOS兼容温度(65℃)附近的温度变化(小于10℃)而大幅改变。重要的是,这种可重构性还伴随着接近最优的性能指标(如数值孔径、效率、各向同性、偏振无关性),并且它还具有与大规模制造兼容的简单几何形状。该研究成果已发表于Nature Communications期刊,为新一代超紧凑、可调且无源的全光计算设备铺平了道路,在增强现实(AR)、遥感和生物医学等领域具有应用潜力。

这种平面光学技术有望取代传统的光学透镜应用,用于各行各业的环境传感。

这一创新有助于降低农产品价格,因为凭借该传感器系统,农民能够准确地确定哪些作物需要灌溉、施肥以及防治病虫害,而不是采取一刀切的方法,从而能有效提高作物收成、降低种植成本。

该传感器系统可以在边缘检测(对水果等物体的轮廓成像)和捕捉详细红外信息之间快速切换,无需创建大量数据以及使用笨重的外部处理器。

该传感器系统可以在边缘检测(对水果等物体的轮廓成像)和捕捉详细红外信息之间快速切换,无需创建大量数据以及使用笨重的外部处理器。

能够切换捕捉详细红外信息,无疑是该领域的一项新突破,可以帮助农民在远程传感识别潜在虫害时获取更多信息。

传感器系统如何工作?

研究人员开发的原型传感器系统包括一个滤波片,滤波片上有一层名为二氧化钒(VO2)的薄层材料,可以在边缘检测和详细红外成像之间切换。该系统由皇家墨尔本理工大学TMOS首席研究员Madhu Bhaskaran教授及其团队设计。

采用相变材料的可重构图像处理超构表面,在AR、遥感和生物医学领域大有可为

(a)工作原理示意图。同一超构表面可以进行边缘检测(左)或传统明场成像(右),具体取决于其温度是低于还是高于嵌入超构表面内部的二氧化钒薄层的转变温度。(b)本研究传感单元的三维视图(上)和鸟瞰图(下)。

Bhaskaran教授介绍说:“二氧化钒等材料为器件的‘智能化’增添了神奇的调节能力。”

当滤波片的温度发生变化时,二氧化钒就会从绝缘状态转变为金属状态,这就是系统如何从边缘检测转变为未经滤波的红外图像。

采用相变材料的可重构图像处理超构表面,在AR、遥感和生物医学领域大有可为

(a)实验装置示意图。(b)从装置中移除超构表面后获得的未滤波输入图像(比例尺:50微米)。(c)装置中加入超构表面且处于室温时获得的边缘检测图像。(d)在(c)图中白色虚线标出位置拍摄的输出强度,对应的超构表面温度略低于(T = 58℃,蓝色曲线)和略高于(T = 68℃,红色阴影区域)二氧化钒的转变温度(为便于比较,蓝色曲线被放大了6倍)。(e)和(f)分别为超构表面加热和冷却下的成像变化。

这些材料在未来的平板光学元件领域将大有作为,它们在某些领域有望取代传统透镜技术,用于环境传感应用,非常适合要求小体积、小重量和低功率的无人机和卫星应用。

皇家墨尔本理工大学开发的二氧化钒薄膜生产方法已获得美国专利授权,并正在申请澳大利亚专利。

该论文第一作者Michele Cotrufo博士表示,系统能够从边缘检测到捕捉详细红外图像之间进行切换,这一能力非常重要。

“虽然最近有报道利用超构表面实现了模拟边缘检测,但迄今为止,有报道的大多数器件都是静态的。它们的功能在时间上是固定的,无法动态改变或控制。”在CUNY进行研究的Corufo博士说,“然而,动态重新配置处理操作的能力,是超构表面能够与数字图像处理系统竞争的关键。我们开发的创新成果解决了这一难题。”

论文链接:DOI: 10.1038/s41467-024-48783-3

延伸阅读:

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《超构透镜(Metalens)专利态势分析-2024版》

《AR/VR/MR光学元件技术及市场-2023版》

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