一种新的基于元表面的遥感边缘检测滤波器可以改变作物监测

来自ARC转换元光学系统卓越中心（TMOS）和纽约市立大学（CUNY）的研究人员于5月27日发表在《自然通讯》上的新工作实现了一种用于平面光学成像系统的新型可调谐边缘检测滤波器，该滤波器可以在物体轮廓图像和详细红外图像之间切换

小型轻型模拟边缘检测图像处理器的开发对环境监测和监视等遥感应用特别感兴趣，因为它有可能最大限度地减少无人机的尺寸、延长部署时间和降低运营成本。这项新研究是朝着实现该设备迈出的一大步，增加了标准红外成像的功能

这可能会带来更便宜的食品杂货，因为农民能够更好地准确地确定哪些作物需要灌溉、施肥和虫害控制，而不是采取一揽子的作物管理方法

它还可以帮助保护濒危物种，因为边缘检测系统可以提供有关栖息地类型和生态系统边界的宝贵数据。这些数据用于栖息地恢复和保护，但目前收集成本高昂

边缘检测是一种图像处理工具，可以提取物体的轮廓，帮助将物体与其背景区分开来。目前，这是一个在拍摄图像后发生的数字过程，需要庞大的处理器和传统的成像系统。这种形式的数字边缘检测产生了大量需要处理、存储和传输的数据

TMOS研究人员及其合作伙伴开发的模拟图像滤波器在拍摄图像之前将受试者缩小到其轮廓，大大减少了产生的数据量。当需要时，它还可以切换到未经过滤的详细红外图像，这是一项新的发展，当遥感器识别出潜在的虫害区域时，农民可以收集更多信息

过滤器只有纳米厚，在较厚的硅超表面内嵌入了一层相变材料二氧化钒（VO2）。当滤波器的温度改变时，VO2从绝缘状态转变为金属状态，并且经处理的图像从经滤波的轮廓转变为未经滤波的红外图像

元光学（也称为平面光学和纳米光子学）是一个通过用元表面取代传统透镜来实现光学技术小型化的新领域。该滤波器可以与金属透镜相结合，大大减小成像系统的尺寸，非常适合用于无人机、卫星和其他需要低尺寸、重量和功率要求的应用

首席作者Michele Cotrufo表示，“虽然最近的一些演示已经使用元表面实现了模拟边缘检测，但迄今为止演示的大多数设备都是静态的。它们的功能是固定的，不能动态更改或控制。

”然而，动态重新配置处理操作的能力是元表面能够与数字图像处理系统竞争的关键。这就是我们所发展的。“

重要的是，在提供备受追捧的可重新配置性的同时，元表面在数值孔径、效率、各向同性和偏振独立性方面与静态表面的性能相匹配。

TMOS合作研究员Andrea Alu说：“我们使用了VO2层和局部加热元件作为概念验证。现在，有可能将研究范围扩大到包括不需要加热的非易失性相变材料，或者将其与外部泵浦激光器集成以进行光学诱导加热。后一种情况可能为所有光学可重新配置的非线性模拟计算开辟有趣的途径。“

原型是由TMOS首席研究员Madhu Bhaskaran和她在RMIT大学的团队制造的。Bhaskaran说，”二氧化钒等相变材料增加了奇妙的调谐能力，使设备变得‘智能’正如我们所展示的，这些材料在未来的平面光学设备中有很大的作用。“

来自墨尔本大学的合著者Shaban Sulejman说，”这种过滤器令人兴奋的是，它的设计和使用的材料使其适合大规模制造。它还可以在与标准制造技术兼容的温度下运行，使其能够很好地与商用系统集成，从而如此迅速地从研究转向现实世界。“同样来自墨尔本大学的TMOS首席研究员Ann Roberts表示，”Meta optics有潜力改变无数行业，而且进展迅速。传统的光学元件长期以来一直是阻碍器件进一步小型化的瓶颈。用薄膜光学器件取代或补充传统光学元件的能力突破了这一瓶颈

“对于农业等行业来说，这可能意味着对环境条件的实时监测，改善无人机或卫星等遥感平台的图像，以及更广泛的数据收集，而不会带来通常伴随而来的相应后勤挑战。”