Wiskunde met de snelheid van het licht

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in Nano Letters.

Beeldverwerking vormt de kern van verschillende snelgroeiende technologieën, zoals augmented reality, autonoom rijden en meer algemene objectherkenning. Maar hoe vindt en herkent een computer een object? De eerste stap is om te begrijpen waar de grenzen liggen, vandaar dat randdetectie in een afbeelding het startpunt vormt voor beeldherkenning. Randdetectie wordt typisch digitaal uitgevoerd met behulp van geïntegreerde elektronische schakelingen die fundamentele snelheidsbeperkingen en een hoog energieverbruik impliceren, of op een analoge manier die omvangrijke optica vereist.

De onderzoekers creëerden een transparant substraat met een reeks silicium nanobars. Wanneer een beeld op dit oppervlak wordt geprojecteerd, vormt het doorgelaten licht een nieuw beeld dat de randen van het origineel laat zien.

In een eerste experiment werd een afbeelding van het Amolf-logo op het metasurface geprojecteerd. Bij een speciaal ontworpen golflengte (726 nm) wordt een duidelijk beeld van de randen waargenomen. De wiskundige transformatie is het gevolg van het feit dat elke ruimtelijke frequentie die het beeld samenstelt een aangepaste transmissiecoëfficiënt door het metasurface heeft. Deze op maat gemaakte transmissie is het resultaat van een complexe interferentie van licht terwijl het zich verspreidt door het metasurface.

Om randdetectie experimenteel op een afbeelding aan te tonen, creëerden de onderzoekers een miniatuurversie van het schilderij Meisje met de parel door kleine chroomstippen op een transparant substraat te drukken. Als het beeld op het metasurface wordt geprojecteerd met behulp van off-resonante verlichting (λ = 750 nm), wordt het originele beeld duidelijk herkend. Als de verlichting daarentegen de juiste kleur heeft (λ = 726 nm), worden de randen duidelijk opgelost in het getransformeerde beeld.

Directe integratie van metasurface in een camera met CCD-chip.

Deze nieuwe optische computer- en beeldtechniek werkt met de snelheid van het licht en de wiskundige bewerking zelf verbruikt geen energie omdat het alleen passieve optische componenten omvat. Het metasurface kan eenvoudig worden geïmplementeerd door het rechtstreeks op een standaard CCD- of CMOS-detectorchip te plaatsen, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geopend in hybride optische en elektronische computing die werkt tegen lage kosten, laag vermogen en kleine afmetingen.