Учёные разработали покрытие для улучшения качества тепловидения через горячее стекло

Группа учёных из Университета Райса решила давнюю проблему тепловидения, сделав возможным получение чётких изображений объектов через горячие окна. Результаты исследования, о которых сообщается в журнале Communications Engineering, могут найти применение в различных областях, таких как безопасность, наблюдение, промышленные исследования и диагностика.

«Допустим, вы хотите использовать тепловидение для мониторинга химических реакций в высокотемпературной реакторной камере, — говорит Гурадж Найк, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Райсе и автор-корреспондент исследования. — Проблема заключается в том, что тепловое излучение, испускаемое самим окном, перегружает камеру, закрывая обзор объектов по другую сторону».

Возможным решением может стать покрытие окна материалом, который подавляет тепловое излучение в сторону камеры, но это также сделает окно непрозрачным. Чтобы обойти эту проблему, исследователи разработали покрытие, которое на основе специально созданной асимметрии отфильтровывает тепловой шум горячего окна, удваивая контрастность тепловизионного изображения по сравнению с традиционными методами.

Суть этого прорыва заключается в разработке наноразмерных резонаторов, которые работают как миниатюрные камертоны, улавливая и усиливая электромагнитные волны в определённых частотах. Резонаторы изготовлены из кремния и организованы в массив, который позволяет точно контролировать, как окно испускает и пропускает тепловое излучение.

«Интригующий вопрос для нас заключался в том, можно ли подавить тепловое излучение окна в сторону камеры, сохранив при этом хорошую передачу со стороны визуализируемого объекта, — говорит Найк. — Теория информации даёт ответ «нет» в любой пассивной системе. Однако здесь есть лазейка — на самом деле камера работает в ограниченном диапазоне частот. Мы воспользовались этой лазейкой и создали покрытие, которое подавляет тепловое излучение от окна в сторону камеры в широком диапазоне, но уменьшает излучение от объекта изображения в узком диапазоне».

Этого удалось достичь благодаря разработке метаматериала, состоящего из двух слоёв резонаторов разных типов, разделённых распорным слоем. Такая конструкция позволяет покрытию подавлять тепловое излучение, направленное на камеру, оставаясь при этом достаточно прозрачным, чтобы улавливать тепловое излучение от объектов за окном.

«Наше решение проблемы черпает вдохновение в квантовой механике и неэрмитовой оптике, — говорит Цирил Самуэль Прасад, выпускник инженерного факультета Райса и первый автор исследования.

В результате получилось революционное асимметричное метаокно, способное давать чёткое тепловое изображение при температурах до 873°К (примерно 600°С).