Les chercheurs ont développé une nouvelle technologie qui utilise des dispositifs méta-optiques pour réaliser une imagerie thermique. L'approche fournit des informations plus riches sur les objets imagés, ce qui pourrait élargir l'utilisation de l'imagerie thermique dans des domaines tels que la navigation autonome, la sécurité, la thermographie, l'imagerie médicale et la télédétection.
"Notre méthode surmonte les défis des imageurs thermiques spectraux traditionnels, qui sont souvent volumineux et délicats en raison de leur dépendance à l'égard de grandes roues à filtres ou interféromètres", a déclaré Zubin Jacob, chef d'équipe de recherche de l'Université Purdue. "Nous avons combiné des dispositifs méta-optiques et des algorithmes d'imagerie informatique de pointe pour créer un système à la fois compact et robuste tout en ayant un large champ de vision."
Dans Optique , les auteurs décrivent leur nouveau système de décomposition spectro-polarimétrique, qui utilise un empilement de métasurfaces en rotation pour décomposer la lumière thermique en ses composants spectraux et polarimétriques. Cela permet au système d'imagerie de capturer les détails spectraux et de polarisation du rayonnement thermique en plus des informations sur l'intensité acquises avec l'imagerie thermique traditionnelle.
Les chercheurs ont montré que le nouveau système peut être utilisé avec une caméra thermique commerciale pour classer avec succès divers matériaux, une tâche généralement difficile pour les caméras thermiques conventionnelles. La capacité de la méthode à distinguer les variations de température et à identifier les matériaux sur la base de signatures spectro-polarimétriques pourrait contribuer à renforcer la sécurité et l'efficacité pour diverses applications, notamment la navigation autonome.
"Les approches traditionnelles de navigation autonome s'appuient largement sur des caméras RVB, qui peinent dans des conditions difficiles comme la faible luminosité ou le mauvais temps", a déclaré le premier auteur de l'article, Xueji Wang, chercheur postdoctoral à l'Université Purdue.
« Lorsqu'elle est intégrée à une technologie de détection et de télémétrie assistée par la chaleur, notre caméra thermique spectro-polarimétrique peut fournir des informations vitales dans ces scénarios difficiles, offrant des images plus claires que les caméras RVB ou thermiques conventionnelles. Une fois que nous aurons atteint la capture vidéo en temps réel, la technologie pourrait considérablement améliorer la perception de la scène et la sécurité globale."
L'imagerie spectro-polarimétrique dans l'infrarouge à ondes longues est cruciale pour des applications telles que la vision nocturne, la vision industrielle, la détection de gaz traces et la thermographie. Cependant, les imageurs spectro-polarimétriques infrarouges à ondes longues actuels sont encombrants et limités en termes de résolution spectrale et de champ de vision.
Pour surmonter ces limitations, les chercheurs se sont tournés vers des métasurfaces de grande surface, des surfaces structurées ultra-minces capables de manipuler la lumière de manière complexe. Après avoir conçu des métasurfaces dispersives en rotation avec des réponses infrarouges adaptées, ils ont développé un processus de fabrication qui a permis d'utiliser ces métasurfaces pour créer des dispositifs de rotation de grande surface (2,5 cm de diamètre) adaptés aux applications d'imagerie. La pile rotative résultante mesure moins de 10 x 10 x 10 cm et peut être utilisée avec une caméra infrarouge traditionnelle.
"L'intégration de ces dispositifs méta-optiques à grande surface avec des algorithmes d'imagerie informatique a facilité la reconstruction efficace du spectre du rayonnement thermique", a déclaré Wang. "Cela a permis de créer un système d'imagerie thermique spectro-polarimétrique plus compact, plus robuste et plus efficace que ce qui était possible auparavant."
Classification des matériaux par imagerie thermique
Pour évaluer leur nouveau système, les chercheurs ont épelé « Purdue » en utilisant divers matériaux et microstructures, chacun possédant des propriétés spectro-polarimétriques uniques. Grâce aux informations spectro-polarimétriques acquises avec le système, ils ont distingué avec précision les différents matériaux et objets.
Ils ont également démontré une précision de classification des matériaux multipliée par trois par rapport aux méthodes d'imagerie thermique traditionnelles, soulignant l'efficacité et la polyvalence du système.
Les chercheurs affirment que la nouvelle méthode pourrait être particulièrement utile pour les applications nécessitant une imagerie thermique détaillée. "En matière de sécurité, par exemple, cela pourrait révolutionner les systèmes aéroportuaires en détectant des objets ou des substances dissimulés sur les personnes", a déclaré Wang. "De plus, sa conception compacte et robuste améliore son adéquation à diverses conditions environnementales, ce qui la rend particulièrement avantageuse pour des applications telles que la navigation autonome."
En plus de travailler à la capture vidéo avec le système, les chercheurs tentent d'améliorer la résolution spectrale de la technique, l'efficacité de la transmission et la vitesse de capture et de traitement des images.
Ils prévoient également d’améliorer la conception de la métasurface pour permettre une manipulation plus complexe de la lumière pour une résolution spectrale plus élevée. De plus, ils souhaitent étendre la méthode à l’imagerie à température ambiante, car l’utilisation de piles de métasurfaces limitait la méthode aux objets à haute température. Ils prévoient d'y parvenir en utilisant des matériaux améliorés, des conceptions de métasurfaces et des techniques telles que les revêtements antireflet.
Plus d'informations : Xueji Wang et al, Spinning Metasurface Stack for Spectro-polarimetric Thermal Imaging, Optica (2023). DOI :10.1364/OPTICA.506813
Informations sur le journal : Optique
Fourni par Optica
