今天，ARC 變革性元光學系統卓越中心 (TMOS) 和紐約城市大學 (CUNY) 的研究人員在《自然通訊》上發表了一項新研究 ，該研究實現了一種用于平面光學成像系統的新型可調節邊緣檢測濾波器，可以在物體輪廓圖像和詳細的紅外圖像之間切換。

緊湊輕巧的模擬邊緣檢測圖像處理器的開發對于環境監測和監視等遙感應用尤其重要，因為它有可能最大限度地縮小無人機尺寸、延長部署時間并降低運營成本。這項新研究是實現該設備的一大步，增加了標準紅外成像功能。

這可以使食品雜貨更便宜，因為農民能夠更準確地確定哪些作物需要灌溉、施肥和病蟲害防治，而不是采取一刀切的農作物管理方法。它還可以幫助保護瀕危物種，因為邊緣檢測系統可以提供有關棲息地類型和生態系統邊界的寶貴數據。這些數據用于棲息地恢復和保護，但目前收集成本很高。

邊緣檢測是一種圖像處理工具，可提取物體的輪廓，幫助區分物體和背景。目前，這是一個在圖像被捕獲后進行的數字過程，需要龐大的處理器和傳統的成像系統。這種形式的數字邊緣檢測會產生大量需要處理、存儲和傳輸的數據。

TMOS 研究人員及其合作伙伴開發的模擬圖像濾鏡可在拍攝圖像之前將拍攝對象縮小到輪廓，從而大幅減少生成的數據量。它還可以在需要時切換到未過濾的詳細紅外圖像，這是一項新穎的開發成果，當遙感器識別出潛在害蟲侵擾區域時，農民可以收集更多信息。

該濾光片厚度僅為納米級，一層薄薄的相變材料二氧化釩 (VO2) 嵌入更厚的硅超表面內。當濾光片的溫度發生變化時，VO2 會從絕緣狀態轉變為金屬狀態，處理后的圖像會從過濾輪廓轉變為未過濾的紅外圖像。

超光學(又稱平面光學和納米光子學)是一個新領域，它通過使用超表面取代傳統透鏡來實現光學技術的小型化。該濾光片可與超透鏡結合使用，大大縮小成像系統的尺寸，非常適合用于無人機、衛星和其他需要低尺寸、低重量和低功率要求的應用。

主要作者 Michele Cotrufo 表示：“雖然最近的一些演示已經利用超表面實現了模擬邊緣檢測，但迄今為止演示的大多數設備都是靜態的。它們的功能是固定的，無法動態改變或控制。然而，動態重新配置處理操作的能力是超表面能夠與數字圖像處理系統競爭的關鍵。這就是我們開發的。”

重要的是，在提供備受追捧的可重構性的同時，超表面在數值孔徑、效率、各向同性和極化獨立性方面的性能也與其靜態對應物相匹配。

TMOS 合作研究員 Andrea Alu 表示：“我們使用 VO2 層和局部加熱元件作為概念驗證?，F在，有可能將研究范圍擴大到不需要加熱的非揮發性相變材料，或將其與外部泵浦激光器集成以實現光誘導加熱。后一種情況可能為全光學可重構非線性模擬計算開辟有趣的途徑。”

該原型由 TMOS 首席研究員 Madhu Bhaskaran 及其 RMIT 大學的團隊制作。Bhaskaran 表示：“二氧化釩等相變材料具有出色的調諧能力，可使設備變得‘智能’。正如我們所展示的，這些材料在未來的平面光學設備中大有可為。”

墨爾本大學的共同作者 Shaban Sulejman 表示：“這款過濾器令人興奮的地方在于其設計和所用材料使其適合大規模生產。它的工作溫度也與標準制造技術兼容，這使得它非常適合與商用系統集成，因此可以如此迅速地從研究轉向實際使用。”

TMOS 首席研究員、墨爾本大學教授 Ann Roberts 表示：“超光學有潛力改變無數行業，而且改變速度很快。傳統光學元件長期以來一直是阻礙設備進一步小型化的瓶頸。用薄膜光學元件替代或補充傳統光學元件的能力突破了這一瓶頸。

“對于農業等行業來說，這可能意味著實時監測環境狀況、從無人機或衛星等遙感平臺獲取更好的圖像，以及進行更廣泛的數據收集，而無需應對通常伴隨的后勤挑戰。”

這項研究是 ARC 資助的卓越中心實力的絕佳例證。這項工作是墨爾本大學和皇家墨爾本理工大學的 TMOS 研究人員以及紐約市立大學 (CUNY) 的 TMOS 合作研究員 Andrea Alu 及其團隊的聯合項目。

TMOS 博士生 Shaban Sulejman 在研究實驗階段訪問了紐約市立大學，該中心的合作伙伴交流計劃為其提供了 5000 澳元獎學金，用于支持學生往返合作機構的交通。