Nuevo trabajo realizado por investigadores del Centro de Excelencia ARC para Sistemas Metaópticos Transformadores (TMOS) y la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY) publicado el 27 de mayo en Nature Communications crea un nuevo filtro de detección de bordes ajustable para sistemas de imágenes de óptica plana que puede cambiar entre una imagen del contorno de un objeto y una imagen infrarroja detallada.
El desarrollo de procesadores de imágenes de detección de bordes analógicos, livianos y compactos es de particular interés para aplicaciones de detección remota, como el monitoreo y la vigilancia ambiental, debido a su potencial para minimizar el tamaño de los drones, extender los tiempos de implementación y reducir los costos operativos. Esta nueva investigación es un gran paso hacia la realización de este dispositivo, con la funcionalidad adicional de imágenes infrarrojas estándar.
Esto podría resultar en alimentos más baratos, ya que los agricultores pueden identificar con mayor precisión qué cultivos requieren riego, fertilización y control de plagas en lugar de adoptar un enfoque general para el manejo de cultivos.
También podría ayudar con los esfuerzos para proteger especies en peligro de extinción, ya que los sistemas de detección de bordes pueden proporcionar datos valiosos sobre los tipos de hábitat y los límites con los ecosistemas. Estos datos se utilizan para la restauración y protección del hábitat, pero actualmente su recopilación es costosa.
La detección de bordes es una herramienta de procesamiento de imágenes que extrae el contorno de un objeto, lo que ayuda a distinguir los objetos de su fondo. Actualmente, es un proceso digital que ocurre después de capturar una imagen y requiere procesadores voluminosos y sistemas de imágenes tradicionales. Esta forma de detección de bordes digitales crea una gran cantidad de datos que deben procesarse, almacenarse y transmitirse.
El filtro de imagen analógico desarrollado por los investigadores de TMOS y sus socios reduce el sujeto a sus contornos antes de capturar la imagen, reduciendo drásticamente la cantidad de datos producidos. También puede cambiar a una imagen infrarroja detallada y sin filtrar cuando sea necesario, lo cual es un desarrollo novedoso y podría permitir a los agricultores recopilar más información cuando el sensor remoto identifica áreas de posibles infestaciones de plagas.
El filtro tiene solo nanómetros de espesor, con una fina capa del material de cambio de fase dióxido de vanadio (VO2 ) incrustado dentro de una metasuperficie de silicio más gruesa. Cuando se cambia la temperatura del filtro, el VO2 pasa de un estado aislante a uno metálico y la imagen procesada cambia de un contorno filtrado a una imagen infrarroja sin filtrar.
La metaóptica (también conocida como óptica plana y nanofotónica) es un nuevo campo que está miniaturizando la tecnología óptica al reemplazar las lentes tradicionales con metasuperficies. El filtro se puede combinar con una lente metálica para reducir en gran medida el tamaño de los sistemas de imágenes, lo que lo hace ideal para su uso en drones, satélites y otras aplicaciones que requieren requisitos de tamaño, peso y potencia reducidos.
El autor principal, Michele Cotrufo, dice:"Si bien algunas demostraciones recientes han logrado la detección de bordes analógicos utilizando metasuperficies, la mayoría de los dispositivos demostrados hasta ahora son estáticos. Su funcionalidad está fijada en el tiempo y no se puede alterar ni controlar dinámicamente.
"Sin embargo, la capacidad de reconfigurar dinámicamente las operaciones de procesamiento es clave para que las metasuperficies puedan competir con los sistemas de procesamiento de imágenes digitales. Esto es lo que hemos desarrollado".
Es importante destacar que, si bien ofrece la tan buscada reconfigurabilidad, la metasuperficie iguala el rendimiento de sus contrapartes estáticas en términos de apertura numérica, eficiencia, isotropía e independencia de polarización.
Andrea Alu, investigadora asociada de TMOS, dice:"Utilizamos un VO2 capa y elemento calefactor local como prueba de concepto. Ahora existe la posibilidad de ampliar la investigación para incluir materiales de cambio de fase no volátiles, que no requieren calentamiento, o integrarla con una bomba láser externa para calentamiento inducido ópticamente. Este último escenario puede abrir vías interesantes para la computación analógica no lineal totalmente reconfigurable ópticamente".
El prototipo fue fabricado por la investigadora jefe de TMOS, Madhu Bhaskaran, y su equipo en la Universidad RMIT. Bhaskaran dice:"Los materiales de cambio de fase, como el dióxido de vanadio, añaden una fantástica capacidad de ajuste para hacer que los dispositivos sean 'inteligentes'. Como hemos demostrado, estos materiales son de gran ayuda en dispositivos futuristas de óptica plana."
El coautor Shaban Sulejman de la Universidad de Melbourne dice:"Lo interesante de este filtro es que el diseño y los materiales utilizados lo hacen apto para la fabricación en masa. También funciona a temperaturas compatibles con las técnicas de fabricación estándar, lo que lo convierte en una buena opción para integrarse con los sistemas disponibles comercialmente y, por lo tanto, pasar tan rápidamente de la investigación al uso en el mundo real."
La investigadora jefe de TMOS, Ann Roberts, también de la Universidad de Melbourne, dice:"La metaóptica tiene el potencial de transformar innumerables industrias, y lo está haciendo rápidamente. Los elementos ópticos tradicionales han sido durante mucho tiempo el cuello de botella que impide una mayor miniaturización de los dispositivos. reemplazar o complementar los elementos ópticos tradicionales con ópticas de película delgada rompe ese cuello de botella.
"Para industrias como la agricultura, esto podría significar monitoreo en tiempo real de las condiciones ambientales, imágenes mejoradas de plataformas de detección remota como drones o satélites, y una recopilación de datos más extensa sin los correspondientes desafíos logísticos que normalmente la acompañan".
Más información: Michele Cotrufo et al, Metasuperficies de procesamiento de imágenes reconfigurables con materiales de cambio de fase, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48783-3
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Centro de excelencia ARC para sistemas metaópticos transformadores (TMOS)
