Wetenschappers ontwikkelen een coating voor verbeterde thermische beeldvorming door hete ramen

Een team van wetenschappers van Rice University heeft een al lang bestaand probleem op het gebied van thermische beeldvorming opgelost, waardoor het mogelijk wordt om heldere beelden van objecten door hete ramen vast te leggen. Beeldvormingstoepassingen op een aantal gebieden, zoals beveiliging, surveillance, industrieel onderzoek en diagnostiek, zouden hiervan kunnen profiteren onderzoeksresultatendie in het tijdschrift werden gerapporteerd Communicatietechniek.

“Stel dat je thermische beeldvorming wilt gebruiken om chemische reacties in een reactorkamer met hoge temperatuur te volgen”, zegt Gururaj Naik, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek bij Rice en corresponderende auteur van het onderzoek. “Het probleem waarmee je te maken krijgt, is dat de thermische straling die door het raam zelf wordt uitgezonden, de camera overweldigt, waardoor het zicht op objecten aan de andere kant wordt belemmerd.”

Een mogelijke oplossing zou erin kunnen bestaan ​​het raam te coaten met een materiaal dat de thermische lichtuitstraling naar de camera onderdrukt, maar dit zou het raam ook ondoorzichtig maken. Om dit probleem te omzeilen, ontwikkelden de onderzoekers een coating die afhankelijk is van een technische asymmetrie om de thermische ruis van een heet raam weg te filteren, waardoor het contrast van thermische beeldvorming wordt verdubbeld in vergelijking met conventionele methoden.

De kern van deze doorbraak ligt in het ontwerp van resonatoren op nanoschaal, die functioneren als miniatuurstemvorken die elektromagnetische golven binnen specifieke frequenties opvangen en versterken. De resonatoren zijn gemaakt van silicium en georganiseerd in een nauwkeurige reeks die nauwkeurige controle mogelijk maakt over hoe het venster thermische straling uitzendt en doorgeeft.

“De intrigerende vraag voor ons was of het mogelijk zou zijn om de thermische emissie van het raam naar de camera te onderdrukken en tegelijkertijd een goede transmissie vanaf de zijkant van het te visualiseren object te behouden,” zei Naik. “De informatietheorie dicteert een ‘nee’ voor een antwoord in elk passief systeem. Er is echter een maas in de wet: in werkelijkheid werkt de camera in een eindige bandbreedte. We hebben van deze maas in de wet geprofiteerd en een coating gemaakt die de thermische emissie van de camera onderdrukt. venster naar de camera in een brede band, maar vermindert alleen de transmissie van het afgebeelde object in een smalle band.”

Dit werd bereikt door een metamateriaal te ontwerpen dat bestaat uit twee lagen van verschillende soorten resonatoren, gescheiden door een afstandslaag. Dankzij het ontwerp kan de coating de thermische emissies die naar de camera zijn gericht onderdrukken, terwijl hij transparant genoeg blijft om de thermische straling van objecten achter het raam op te vangen.

“Onze oplossing voor het probleem is geïnspireerd op de kwantummechanica en niet-hermitische optica”, zegt Ciril Samuel Prasad, alumnus van Rice doctoraaltechniek en eerste auteur van het onderzoek.

Het resultaat is een revolutionair asymmetrisch metavenster dat heldere thermische beelden kan weergeven bij temperaturen tot wel 873 K (ongeveer 600 C).

De gevolgen van deze doorbraak zijn aanzienlijk. Een onmiddellijke toepassing is de chemische verwerking, waarbij het monitoren van reacties in hogetemperatuurkamers van cruciaal belang is. Naast industriële toepassingen kan deze aanpak een revolutie teweegbrengen in de hyperspectrale thermische beeldvorming door het al lang bestaande ‘Narcissus-effect’ aan te pakken, waarbij thermische emissies van de camera zelf de beeldvorming verstoren. De onderzoekers voorzien toepassingen in energiebesparing, stralingskoeling en zelfs verdedigingssystemen, waarbij nauwkeurige thermische beeldvorming essentieel is.

“Dit is een disruptieve innovatie”, merkten de onderzoekers op. “We hebben niet alleen een al lang bestaand probleem opgelost, maar ook nieuwe deuren geopend voor beeldvorming onder extreme omstandigheden. Het gebruik van metasurfaces en resonatoren als ontwerptools zal waarschijnlijk veel velden transformeren die verder gaan dan thermische beeldvorming, van het oogsten van energie tot geavanceerde detectietechnologieën.”

Henry Everitt, senior wetenschapper bij het United States Army Research Laboratory en adjunct-faculteit bij Rice, is ook auteur van het onderzoek.