تصویربرداری حرارتی متحول شد: حالا می‌شه از پشت شیشه داغ هم دید!

یه پیشرفت حسابی تو تصویربرداری حرارتی

یه گروه از دانشمندا توی دانشگاه رایس یه معضل قدیمی تو زمینه تصویربرداری حرارتی رو حل کردن که حالا میشه از پشت پنجره‌های داغ هم عکسای واضح گرفت. نتیجه‌ی این تحقیق که توی مجله‌ی مهندسی ارتباطات چاپ شده، می‌تونه در زمینه‌های مختلفی مثل امنیت، نظارت، تحقیقات صنعتی و حتی تشخیص بیماری‌ها کاربرد داشته باشه.

گوروراج نایک، استاد مهندسی برق و کامپیوتر توی دانشگاه رایس و سرپرست این پژوهش، میگه: «فکر کن بخوای از تصویربرداری حرارتی برای دیدن واکنش‌های شیمیایی توی یه محفظه راکتور با دمای خیلی بالا استفاده کنی. مشکل اینه که نوری که خودِ پنجره داره از خودش ساطع می‌کنه، روی دوربین اثر می‌ذاره و دیگه نمی‌شه درست حسابی اون طرفو دید.»

یه راه‌حل احتمالی می‌تونه این باشه که پنجره رو با یه ماده‌ای بپوشونیم که نور حرارتی رو به سمت دوربین کم کنه، اما این کار باعث می‌شه پنجره کدر بشه. برای حل این چالش، محققان پوششی ساختن که بر اساس نامتقارن بودن مهندسی‌شده کار می‌کنه تا نویز حرارتی پنجره داغ رو فیلتر کنه و کیفیت تصویربرداری حرارتی رو نسبت به روش‌های قدیمی دو برابر کنه.

راز این پیشرفت، توی طراحی رزوناتورهای نانوسایز نهفته‌ست که مثل چنگک‌های خیلی کوچیک عمل می‌کنن و امواج الکترومغناطیسی رو توی فرکانس‌های خاصی گیر می‌اندازن و تقویتشون می‌کنن. این رزوناتورها از سیلیکون ساخته شدن و توی یه آرایش دقیق چیده شدن که کنترل فوق‌العاده دقیقی رو روی نحوه تابش و انتقال نور حرارتی از پنجره فراهم می‌کنه.

نایک ادامه می‌ده: «سوال جالب این بود که آیا می‌شه جلوی رسیدن نور حرارتی پنجره به دوربین رو گرفت، در حالی که باز هم کیفیت تصویربرداری از اون چیزی که می‌خوایم ببینیم حفظ بشه؟» اون همچنین اضافه می‌کنه: «نظریه اطلاعات تو هر سیستمی، جواب “نه” رو می‌ده.»

یه ایده نو تو تصویربرداری حرارتی با استفاده از متامواد

با این حال، یه نکته هست: در واقع، دوربین توی یه باند فرکانسی محدود کار می‌کنه. ما از این نقص استفاده کردیم و یه پوششی ساختیم که انتشار حرارتی از پنجره به سمت دوربین رو توی یه باند وسیع کم می‌کنه، اما فقط انتقال از شی رو توی یه باند باریک کاهش می‌ده.

این کار با طراحی یه متاماده انجام شد که از دو لایه از انواع مختلف رزوناتورها تشکیل شده بود و با یه لایه جداکننده از هم فاصله داشتن. این طراحی به پوشش اجازه می‌ده تا نور حرارتی که به سمت دوربین می‌ره رو کم کنه و در عین حال، به اندازه‌ای شفاف باشه که بتونه نور حرارتی رو از اجسام پشت پنجره هم بگیره.

سیریل ساموئل پراساد، که دکتری مهندسی خودش رو از دانشگاه رایس گرفته و نویسنده اول این مقاله بوده، گفت: « راه‌حل ما برای این مشکل از مکانیک کوانتومی و اپتیک غیرهرمیتی الهام گرفته شده.» نتیجه‌ی این تحقیق یه متاویندوی انقلابی هست که می‌تونه توی دماهای بالای 873 کلوین (حدود 600 درجه سانتی‌گراد) هم تصویربرداری حرارتی واضحی داشته باشه.

اهمیت این پیشرفت خیلی زیاده. یکی از کاربردهای فوری اون توی پردازش شیمیاییه، جایی که دیدن واکنش‌ها توی محفظه‌های با دمای بالا خیلی مهمه. علاوه بر کاربردهای صنعتی، این روش ممکنه تصویربرداری حرارتی هایپرطیفی رو هم متحول کنه و مشکل قدیمی “اثر نارسیسوس” رو که توی اون نور حرارتی خود دوربین با تصویربرداری تداخل داره، حل کنه.

محققان پیش‌بینی می‌کنن که این فناوری تو زمینه‌های صرفه‌جویی انرژی، خنک‌سازی تابشی و حتی سیستم‌های دفاعی که تصویربرداری حرارتی دقیق توشون خیلی مهمه، کاربرد داشته باشه. اونا گفتن: «این یه نوآوری بزرگه.» «ما نه تنها یه مشکل قدیمی رو حل کردیم، بلکه درهای جدیدی رو برای تصویربرداری تو شرایط سخت باز کردیم. استفاده از متاسطوح و رزوناتورها به عنوان ابزارهای طراحی احتمالاً خیلی از زمینه‌ها رو فراتر از تصویربرداری حرارتی، از برداشت انرژی تا فناوری‌های حسگری پیشرفته، تغییر خواهد داد.»

هنری اوریت، دانشمند ارشد در آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده و استاد وابسته تو دانشگاه رایس، هم یکی از نویسنده‌های این مقاله است. این تحقیق با حمایت دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده و با شماره قرارداد W911NF2120031 انجام شده.