پوشش نوین برای تصویربرداری حرارتی از پشت پنجره‌های داغ

تحولی در تصویربرداری حرارتی توسط دانشمندان دانشگاه رایس

یک تیم از دانشمندان دانشگاه رایس موفق به حل یک مشکل قدیمی در زمینه تصویربرداری حرارتی شده‌اند که امکان ثبت تصاویر واضح از اشیاء را از پشت پنجره‌های داغ فراهم می‌کند. یافته‌های این تحقیق که در مجله مهندسی ارتباطات منتشر شده است، می‌تواند در زمینه‌های مختلفی مانند امنیت، نظارت، تحقیقات صنعتی و تشخیص بیماری‌ها کاربرد داشته باشد.

گوروراج نایک، استاد یار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مطالعه، می‌گوید: “فرض کنید بخواهید از تصویربرداری حرارتی برای نظارت بر واکنش‌های شیمیایی در یک محفظه راکتور با دمای بالا استفاده کنید. مشکل شما این است که تابش حرارتی که خود پنجره ساطع می‌کند، دوربین را تحت تأثیر قرار می‌دهد و دیدن اشیاء در طرف دیگر را دشوار می‌کند.”

یک راه‌حل ممکن می‌تواند شامل پوشش دادن پنجره با ماده‌ای باشد که تابش نور حرارتی به سمت دوربین را کاهش دهد، اما این کار پنجره را غیرشفاف می‌کند. برای حل این مشکل، محققان پوششی توسعه داده‌اند که بر اساس عدم تقارن مهندسی شده طراحی شده است تا نویز حرارتی پنجره داغ را فیلتر کند و کنتراست تصویربرداری حرارتی را نسبت به روش‌های متداول دو برابر کند.

هسته این پیشرفت در طراحی رزوناتورهای نانوسکال نهفته است که مانند چنگک‌های مینیاتوری عمل می‌کنند و امواج الکترومغناطیسی را در فرکانس‌های خاصی به دام می‌اندازند و تقویت می‌کنند. این رزوناتورها از سیلیکون ساخته شده‌اند و در یک آرایه دقیق سازماندهی شده‌اند که کنترل دقیقی بر نحوه تابش و انتقال تابش حرارتی از پنجره فراهم می‌کند.

نایک ادامه می‌دهد: “سوال جالب برای ما این بود که آیا ممکن است تابش حرارتی پنجره به سمت دوربین را کاهش دهیم در حالی که انتقال خوبی از سمت شیء مورد نظر برای تصویربرداری حفظ شود.” او همچنین اشاره می‌کند: “نظریه اطلاعات در هر سیستم غیرفعال پاسخ ‘خیر’ را مطرح می‌کند.”

نوآوری در تصویربرداری حرارتی با استفاده از متامواد

با این حال، یک نقص وجود دارد: در واقع، دوربین در یک باند فرکانسی محدود عمل می‌کند. ما از این نقص بهره‌برداری کردیم و پوششی ایجاد کردیم که انتشار حرارتی از پنجره به سمت دوربین را در یک باند وسیع کاهش می‌دهد، اما تنها انتقال از شیء تصویربرداری شده را در یک باند باریک کاهش می‌دهد.

این کار با طراحی یک متاماده متشکل از دو لایه از نوع‌های مختلف رزوناتورها که توسط یک لایه جداکننده از هم جدا شده‌اند، انجام شد. این طراحی به پوشش اجازه می‌دهد تا انتشار حرارتی که به سمت دوربین هدایت می‌شود را کاهش دهد و در عین حال به اندازه کافی شفاف باشد تا تابش حرارتی از اشیاء پشت پنجره را ثبت کند.

سیریل ساموئل پراساد، فارغ‌التحصیل دکتری مهندسی از دانشگاه رایس و نویسنده اول این مطالعه، گفت: “راه‌حل ما برای این مشکل از مکانیک کوانتومی و اپتیک غیرهرمیتی الهام گرفته شده است.” نتیجه این تحقیق یک متاویندوی انقلابی است که قادر به تصویربرداری حرارتی واضح در دماهای بالای 873 کلوین (تقریباً 600 درجه سانتی‌گراد) می‌باشد.

پیامدهای این پیشرفت بسیار قابل توجه است. یکی از کاربردهای فوری آن در پردازش شیمیایی است، جایی که نظارت بر واکنش‌ها درون اتاقک‌های دما بالا حیاتی است. فراتر از کاربردهای صنعتی، این رویکرد ممکن است تصویربرداری حرارتی هایپر طیفی را با حل مشکل دیرینه “اثر نارسيسوس” که در آن انتشار حرارتی از خود دوربین با تصویربرداری تداخل می‌کند، متحول کند.

محققان پیش‌بینی می‌کنند که این فناوری در زمینه‌های صرفه‌جویی انرژی، خنک‌سازی تابشی و حتی سیستم‌های دفاعی که در آن‌ها تصویربرداری حرارتی دقیق ضروری است، کاربرد داشته باشد. آنها اشاره کردند: “این یک نوآوری مخرب است.” “ما نه تنها یک مشکل دیرینه را حل کرده‌ایم، بلکه درهای جدیدی را برای تصویربرداری در شرایط شدید باز کرده‌ایم. استفاده از متاسطوح و رزوناتورها به عنوان ابزارهای طراحی احتمالاً بسیاری از زمینه‌ها را فراتر از تصویربرداری حرارتی، از برداشت انرژی تا فناوری‌های حسگری پیشرفته، متحول خواهد کرد.”

هنری اوریت، دانشمند ارشد در آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده و استاد وابسته در دانشگاه رایس، نیز یکی از نویسندگان این مطالعه است. این تحقیق تحت حمایت دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده با شماره توافق همکاری W911NF2120031 انجام شده است.