Los investigadores han desarrollado una nueva tecnología que utiliza dispositivos metaópticos para realizar imágenes térmicas. El enfoque proporciona información más rica sobre los objetos fotografiados, lo que podría ampliar el uso de imágenes térmicas en campos como la navegación autónoma, la seguridad, la termografía, las imágenes médicas y la teledetección.
"Nuestro método supera los desafíos de las cámaras termográficas espectrales tradicionales, que a menudo son voluminosas y delicadas debido a su dependencia de grandes ruedas de filtros o interferómetros", dijo el líder del equipo de investigación Zubin Jacob de la Universidad Purdue. "Combinamos dispositivos metaópticos y algoritmos de imágenes computacionales de vanguardia para crear un sistema que es a la vez compacto y robusto y, al mismo tiempo, tiene un gran campo de visión".
En Óptica , los autores describen su nuevo sistema de descomposición espectropolarimétrica, que utiliza una pila de metasuperficies giratorias para descomponer la luz térmica en sus componentes espectrales y polarimétricos. Esto permite que el sistema de imágenes capture los detalles espectrales y de polarización de la radiación térmica, además de la información de intensidad que se adquiere con las imágenes térmicas tradicionales.
Los investigadores demostraron que el nuevo sistema se puede utilizar con una cámara térmica comercial para clasificar con éxito diversos materiales, una tarea que suele ser un desafío para las cámaras térmicas convencionales. La capacidad del método para distinguir variaciones de temperatura e identificar materiales basándose en firmas espectropolarimétricas podría ayudar a aumentar la seguridad y la eficiencia para una variedad de aplicaciones, incluida la navegación autónoma.
"Los enfoques tradicionales de navegación autónoma dependen en gran medida de las cámaras RGB, que tienen dificultades en condiciones difíciles como poca luz o mal tiempo", afirmó el primer autor del artículo, Xueji Wang, investigador postdoctoral en la Universidad Purdue.
"Cuando se integra con tecnología de detección y alcance asistida por calor, nuestra cámara térmica espectropolarimétrica puede proporcionar información vital en estos escenarios difíciles, ofreciendo imágenes más claras que las cámaras térmicas RGB o convencionales. Una vez que logremos la captura de video en tiempo real, la tecnología podría significativamente mejorar la percepción de la escena y la seguridad general."
Las imágenes espectropolarimétricas en el infrarrojo de onda larga son cruciales para aplicaciones como la visión nocturna, la visión artificial, la detección de gases traza y la termografía. Sin embargo, los generadores de imágenes infrarrojas espectropolarimétricas de onda larga actuales son voluminosos y tienen una resolución espectral y un campo de visión limitados.
Para superar estas limitaciones, los investigadores recurrieron a metasuperficies de gran superficie:superficies estructuradas ultrafinas que pueden manipular la luz de formas complejas. Después de diseñar metasuperficies dispersivas giratorias con respuestas infrarrojas personalizadas, desarrollaron un proceso de fabricación que permitió utilizar estas metasuperficies para crear dispositivos giratorios de área grande (2,5 cm de diámetro) adecuados para aplicaciones de imágenes. La pila giratoria resultante mide menos de 10 x 10 x 10 cm y se puede utilizar con una cámara infrarroja tradicional.
"La integración de estos dispositivos metaópticos de gran área con algoritmos de imágenes computacionales facilitó la reconstrucción eficiente del espectro de radiación térmica", dijo Wang. "Esto permitió contar con un sistema de imágenes térmicas espectropolarimétricas más compacto, robusto y eficaz de lo que se podía conseguir hasta ahora".
Clasificación de materiales con imágenes térmicas
Para evaluar su nuevo sistema, los investigadores deletrearon "Purdue" utilizando varios materiales y microestructuras, cada uno con propiedades espectropolarimétricas únicas. Utilizando la información espectropolarimétrica adquirida con el sistema, distinguieron con precisión los diferentes materiales y objetos.
También demostraron un aumento tres veces mayor en la precisión de la clasificación de materiales en comparación con los métodos tradicionales de imágenes térmicas, destacando la efectividad y versatilidad del sistema.
Los investigadores dicen que el nuevo método podría ser especialmente útil para aplicaciones que requieren imágenes térmicas detalladas. "En seguridad, por ejemplo, podría revolucionar los sistemas aeroportuarios al detectar objetos o sustancias ocultas en las personas", afirmó Wang. "Además, su diseño compacto y robusto mejora su idoneidad para diversas condiciones ambientales, lo que lo hace especialmente beneficioso para aplicaciones como la navegación autónoma."
Además de trabajar para lograr la captura de vídeo con el sistema, los investigadores están intentando mejorar la resolución espectral de la técnica, la eficiencia de transmisión y la velocidad de captura y procesamiento de imágenes.
También planean mejorar el diseño de la metasuperficie para permitir una manipulación de la luz más compleja para una mayor resolución espectral. Además, quieren ampliar el método a imágenes a temperatura ambiente, ya que el uso de pilas de metasuperficies restringió el método a objetos de alta temperatura. Planean hacerlo utilizando materiales mejorados, diseños de metasuperficies y técnicas como recubrimientos antirreflectantes.
Más información: Xueji Wang et al, Pila de metasuperficie giratoria para imágenes térmicas espectropolarimétricas, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.506813
Información de la revista: Óptica
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