La technologie révolutionnaire méta-optique transforme l’imagerie thermique.

Patrick Lesggie

Les chercheurs ont utilisé une pile de dispositifs méta-optiques en rotation pour capturer des détails spectraux et de polarisation du rayonnement thermique ainsi que des informations d’intensité acquises avec l’imagerie thermique traditionnelle. Crédit : Xueji Wang, Université Purdue

En rassemblant des données thermiques plus complexes, cette nouvelle méthode pourrait améliorer la navigation autonome, la reconnaissance des matériaux, la sécurité et d’autres applications.

Les chercheurs ont mis au point une nouvelle technologie utilisant des dispositifs méta-optiques pour l’imagerie thermique. Cette méthode offre des informations plus détaillées sur les objets examinés, élargissant potentiellement les applications de l’imagerie thermique dans la navigation autonome, la sécurité, la thermographie, l’imagerie médicale et la télédétection.

« Notre méthode surmonte les défis des imageurs thermiques spectraux traditionnels, souvent encombrants et délicats en raison de leur dépendance vis-à-vis de grands filtres ou interféromètres », explique le chef d’équipe de recherche Zubin Jacob de l’Université de Purdue. « Nous avons combiné des dispositifs méta-optiques et des algorithmes d’imagerie computationnelle de pointe pour créer un système à la fois compact et robuste, tout en offrant un grand champ de vision. »

Dans Optica, le journal du groupe de publication Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, les auteurs décrivent leur nouveau système de décomposition spectro-polarimétrique, qui utilise une pile de méta-surfaces en rotation pour décomposer la lumière thermique en ses composantes spectrales et polarimétriques. Cela permet au système d’imagerie de capturer les détails spectraux et de polarisation du rayonnement thermique, en plus des informations d’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 qui est généralement difficile pour les caméras thermiques conventionnelles. La capacité de la méthode à distinguer les variations de température et à identifier les matériaux en fonction des signatures spectro-polarimétriques pourrait contribuer à renforcer la sécurité et l’efficacité pour diverses applications, y compris la navigation autonome.

Metasurface Stack Imaging Setup

La pile de méta-surfaces en rotation décompose la lumière thermique en ses composantes spectrales et polarimétriques. Les chercheurs ont combiné la pile de méta-surfaces avec une caméra infrarouge à ondes longues traditionnelle et des algorithmes d’imagerie computationnelle pour créer un système d’imagerie thermique spectrale compact et robuste. Crédit :
Xueji Wang, Université Purdue

« Les approches traditionnelles de navigation autonome reposent fortement sur les caméras RVB, qui peinent dans des conditions difficiles telles que le faible éclairage ou les intempéries », explique Xueji Wang, premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral à l’Université de Purdue. « Lorsqu’elle est intégrée à la technologie de détection et de télémétrie assistée par la chaleur, notre caméra thermique spectro-polarimétrique peut fournir des informations essentielles dans ces scénarios difficiles, offrant des images plus claires que les caméras RVB ou thermiques conventionnelles. Une fois que nous parviendrons à une capture vidéo en temps réel, la technologie pourrait augmenter considérablement la perception de l’environnement et la sécurité globale. »

En faire plus avec un capteur plus petit

L’imagerie spectro-polarimétrique dans l’infrarouge lointain est cruciale pour des applications telles que la vision nocturne, la vision artificielle, la détection de gaz traces et la thermographie. Cependant, les imageurs infrarouges lointains spectro-polarimétriques actuels sont encombrants et limités en résolution spectrale et en champ de vision.

Pour surmonter ces limitations, les chercheurs se sont tournés vers des méta-surfaces de grande surface – des surfaces structurées ultra-minces capables de manipuler la lumière de manière complexe. Après avoir conçu des méta-surfaces dispersives en rotation avec des réponses infrarouges adaptées, ils ont développé un processus de fabrication qui permet à ces méta-surfaces d’être utilisées pour créer des dispositifs de rotation de grande surface (diamètre de 2,5 cm) adaptés à des applications d’imagerie. La pile de rotation 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 de grande surface avec des algorithmes d’imagerie computationnelle a permis la reconstruction efficace du spectre du rayonnement thermique », explique Wang. « Cela a permis de créer un système d’imagerie thermique spectro-polarimétrique plus compact, robuste et efficace que ce qui était auparavant réalisable. »

Classification des matériaux par imagerie thermique

Pour évaluer leur nouveau système, les chercheurs ont écrit « Purdue » en utilisant divers matériaux et microstructures, chacun ayant des propriétés spectro-polarimétriques uniques. En utilisant les informations spectro-polarimétriques acquises avec le système, ils ont distingué avec précision les différents matériaux et objets. Ils ont également démontré une augmentation de trois fois de l’exactitude de la classification des matériaux par rapport aux méthodes d’imagerie thermique traditionnelles, mettant en lumière l’efficacité et la polyvalence du système.

Les chercheurs estiment que la nouvelle méthode pourrait être particulièrement utile pour les applications nécessitant une imagerie thermique détaillée. « En sécurité, par exemple, elle pourrait révolutionner les systèmes aéroportuaires en détectant les objets ou les substances dissimulés sur les personnes », explique Wang. « De plus, sa conception compacte et robuste améliore sa capacité à s’adapter à des conditions environnementales variées, la rendant particulièrement bénéfique 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, l’efficacité de transmission et la vitesse de capture et de traitement des images. Ils prévoient également d’améliorer la conception des méta-surfaces pour permettre une manipulation plus complexe de la lumière en vue d’une résolution spectrale plus élevée. De plus, ils souhaitent étendre la méthode à l’imagerie à température ambiante, car l’utilisation de piles de méta-surfaces restreignait la méthode aux objets à haute température. Ils prévoient de le faire en utilisant des matériaux améliorés, des conceptions de méta-surfaces et des techniques telles que les revêtements antireflet.

Référence : « Spinning metasurface stack for spectro-polarimetric thermal imaging » par Fanglin Bao, Zubin Jacob, Xueji Wang, Tyler Sentz et Ziyi Yang, 19 janvier 2024, Optica.
DOI : doi:10.1364/OPTICA.506813