回転するメタサーフェスを使用してコンパクトな熱画像システム作成

January, 30, 2024, Washington--パデュー大学の研究チームは、メタ光学デバイスを使用して熱画像を実行する新しい技術を開発した。
このアプローチは、画像化された物体に関するより豊富な情報を提供し、自律航法、セキュリティ、サーモグラフィー、医用画像、リモートセンシングなどの分野での赤外線画像の使用を拡大する可能性がある。

「われわれの方法は、従来のスペクトル熱探知カメラの課題を克服している。従来法は、大型のフィルタホイールや干渉計に依存しているため、かさばりやすく細心の注意を必要としている」と、Purdue University研究チームリーダー、Zubin Jacobはコメントしている。「メタ光学デバイスと最先端のコンピュテーショナルイメージングアルゴリズムを組み合わせて、コンパクトで堅牢でありながら、広い視野を持つシステムを実現した。」

Optica Publishing GroupのOptica誌で、チームは、回転するメタサーフェスのスタックを使用して熱光(thermal light)をスペクトル成分と偏光成分に分解する新しい分光偏光分解システムについて説明している。これにより、イメージングシステムは、従来のサーマルイメージングで取得される強度情報に加えて、熱放射のスペクトルと偏光の詳細をキャプチャできる。

研究チームは、この新しいシステムを市販のサーマルカメラと併用することで、従来のサーマルカメラでは一般的に困難であった様々な材料の見事に分類できることを示した。温度変化を区別し、分光偏光シグネチャーに基づいて材料を識別するこの方法の能力は、自律航法を含む様々なアプリケーションの安全性と効率向上に役立つ可能性がある。

「従来の自律航法アプローチはRGBカメラに大きく依存しており、暗い場所や悪天候などの厳しい条件下では苦戦する」と、論文の筆頭著者、同大学ポスドク研究員Xueji Wangは話している。「熱アシスト検出および測距技術と統合すると、われわれの分光偏光サーマルカメラは、RGBや従来のサーマルカメラよりも鮮明な画像を提供し、これらの困難なシナリオで重要な情報を提供できる。リアルタイムのビデオキャプチャが実現すれば、この技術はシーンの認識と全体的な安全性を大幅に向上させることができる。」

小型イメージャでより多くのことを実行
長波赤外における分光偏光イメージングは、暗視、マシンビジョン、微量ガスセンシング、サーモグラフィなどのアプリケーションにとって非常に重要である。しかし、今日の分光偏光長波赤外イメージャはかさばり、スペクトル分解能と視野が制限されている。

これらの制限を克服するために、研究チームは、光を複雑な方法で操作できる超薄型の構造表面である大面積のメタサーフェスに目を向けた。スピニング分散メタサーフェスをカスタマイズされた赤外応答に合わせたエンジニアリングを行った後、これらのメタサーフェスを使用して、イメージングアプリケーションに適した大面積(直径2.5cm)のスピニングデバイスを作製できる製造プロセスを開発した。その結果、回転するスタックのサイズは10 x 10 x 10 cm未満で、従来の赤外線カメラで使用できる。

「これらの大面積メタ光学デバイスをコンピュテーショナルイメージングアルゴリズムと統合することで、熱放射スペクトルの効率的な再構築が容易になった。これにより、以前よりもコンパクトで堅牢かつ効果的な分光偏光熱画像システムが実現した」(Wang)。

熱画像による材料の分類
新しいシステムを評価するために、研究チームは、それぞれが独自の分光偏光特性を持つ様々な材料と微細構造を使用して「Purdue」とスペリングした。このシステムで取得した分光偏光情報を使用して、多様な材料や物体を正確に区別した。また、従来の熱画像法と比較して材料分類精度が3倍向上していることを実証し、システムの有効性と汎用性を強調した。

研究チームによると、この新しい手法は、詳細な熱画像を必要とする用途に特に役立つ可能性がある。「たとえば、セキュリティ分野では、人の身に隠されたアイテムや物質を検出することで、空港システムに革命を起こす可能性がある。さらに、そのコンパクトで堅牢な設計により、多様な環境条件への適合性が向上し、自律航行などのアプリケーションに特に有用である」とWangはコメントしている。

研究チームは、このシステムによるビデオキャプチャの実現に取り組むとともに、この技術のスペクトル解像度、伝送効率、画像キャプチャと処理の速度を向上させる考えである。また、メタサーフェスの設計を改善して、より複雑な光操作を可能にし、より高いスペクトル分解能を実現することも計画している。さらに、メタサーフェススタックの使用では高温の物体に限定されるため、この手法を室温イメージングに拡張したいとも考えている。チームは、改良された材料、メタサーフェスの設計、反射防止コーティングなどの技術を使用してこれを行うことを計画している。