Naukowcy opracowali powłokę zapewniającą lepsze obrazowanie termowizyjne przez gorące okna

Zespół naukowców z Rice University rozwiązał odwieczny problem obrazowania termowizyjnego, umożliwiając rejestrowanie wyraźnych obrazów obiektów przez gorące okna. Zastosowania obrazowania w różnych dziedzinach, takich jak bezpieczeństwo, nadzór, badania przemysłowe i diagnostyka, mogą odnieść korzyści wyniki badańo czym pisaliśmy w czasopiśmie Inżynieria Komunikacji.

„Załóżmy, że chcesz wykorzystać obrazowanie termowizyjne do monitorowania reakcji chemicznych w komorze reaktora wysokotemperaturowego” – powiedział Gururaj Naik, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej w Rice i współautor badania. „Problem, z jakim się spotkasz, polega na tym, że promieniowanie cieplne emitowane przez samo okno przytłacza kamerę, zasłaniając widok obiektów po drugiej stronie”.

Możliwe rozwiązanie mogłoby polegać na pokryciu okna materiałem, który tłumi emisję światła termicznego w kierunku kamery, ale spowodowałoby to również, że okno byłoby nieprzezroczyste. Aby obejść ten problem, naukowcy opracowali powłokę wykorzystującą sztuczną asymetrię do odfiltrowywania szumu termicznego gorącego okna, podwajając kontrast obrazowania termowizyjnego w porównaniu z metodami konwencjonalnymi.

Sednem tego przełomu jest zaprojektowanie rezonatorów w skali nano, które działają jak miniaturowe kamertony wychwytujące i wzmacniające fale elektromagnetyczne w określonych częstotliwościach. Rezonatory są wykonane z krzemu i ułożone w precyzyjny układ, który pozwala na precyzyjną kontrolę nad tym, w jaki sposób okno emituje i przepuszcza promieniowanie cieplne.

„Intrygujące dla nas pytanie brzmiało, czy możliwe byłoby stłumienie emisji ciepła przez okno w stronę kamery, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej transmisji od strony wizualizowanego obiektu” – powiedział Naik. „Teoria informacji narzuca odpowiedź „nie” w każdym systemie pasywnym. Istnieje jednak luka — w rzeczywistości kamera działa w ograniczonym paśmie. Wykorzystaliśmy tę lukę i stworzyliśmy powłokę, która tłumi emisję ciepła z oknem w kierunku kamery w szerokim paśmie, ale jedynie zmniejsza transmisję z obrazowanego obiektu w wąskim paśmie.”

Osiągnięto to poprzez zaprojektowanie metamateriału składającego się z dwóch warstw różnych typów rezonatorów oddzielonych warstwą dystansową. Konstrukcja pozwala powłoce tłumić emisję ciepła skierowaną w stronę kamery, pozostając jednocześnie wystarczająco przezroczystą, aby wychwytywać promieniowanie cieplne z obiektów znajdujących się za oknem.

„Nasze rozwiązanie tego problemu czerpie inspirację z mechaniki kwantowej i optyki niehermitowskiej” – powiedział Ciril Samuel Prasad, absolwent studiów doktoranckich w dziedzinie inżynierii Rice i pierwszy autor badania.

Rezultatem jest rewolucyjne asymetryczne metaokno umożliwiające wyraźne obrazowanie termiczne w temperaturach sięgających 873 K (około 600 C).

Konsekwencje tego przełomu są znaczące. Jednym z bezpośrednich zastosowań jest przetwarzanie chemiczne, gdzie krytyczne znaczenie ma monitorowanie reakcji w komorach wysokotemperaturowych. Poza zastosowaniami przemysłowymi podejście to może zrewolucjonizować hiperspektralne obrazowanie termowizyjne, eliminując długotrwały „efekt Narcyza”, w którym emisja ciepła z samej kamery zakłóca obrazowanie. Naukowcy przewidują zastosowania w oszczędzaniu energii, chłodzeniu radiacyjnym, a nawet systemach obronnych, gdzie niezbędne jest dokładne obrazowanie termowizyjne.

„To przełomowa innowacja” – zauważyli naukowcy. „Nie tylko rozwiązaliśmy długotrwały problem, ale otworzyliśmy nowe możliwości obrazowania w ekstremalnych warunkach. Zastosowanie metapowierzchni i rezonatorów jako narzędzi projektowych prawdopodobnie przekształci wiele dziedzin poza obrazowaniem termowizyjnym, od pozyskiwania energii po zaawansowane technologie wykrywania”.

Henry Everitt, starszy naukowiec w Laboratorium Badawczym Armii Stanów Zjednoczonych i adiunkt w Rice, jest także autorem badania.