Imágenes a 1,000 fps con un solo píxel

Ampliar / No, no esos fantasmas. Eli Christman

Durante mucho tiempo, la imagen fue probablemente la más aburrida sujeto imaginable. A menos que estuvieras emocionado por comparar varios Lentes de marca producidos en masa, no había mucho de qué hablar. Eso cambió brevemente con la invención del láser, pero el la tecnología de imagen real todavía era … sí, aburrida.

Sin embargo, en la última década más o menos, las cosas realmente han cambiado, en en parte debido a las nuevas formas de pensar acerca de lo que realmente es una imagen es.Entre las muchas variaciones fascinantes de la tradicional Las imágenes son algo llamado imágenes de gran tamaño. La idea de fantasma la imagen era usar la naturaleza cuántica de la luz para representar un objeto mediante la detección de fotones que nunca se habían encontrado con el objeto. Esta es una idea alucinante que ahora se ha desarrollado para el punto donde podría ser realmente práctico en algunos circunstancias, especialmente cuando puedes adquirir alrededor de 1,000 fantasmas imágenes por segundo.

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La idea original detrás de las imágenes fantasma hizo uso de algo llamado enredo cuántico. Imagina que tengo un solo fotón que corté en dos fotones. Porque el universo no crea o destruir cosas como la energía, el momento o el momento angular, el la energía contenida en los dos fotones tiene que sumar el valor de energía contenida por el primer fotón.

Sin embargo, la energía total se puede dividir de la forma que queramos. Si esto era física clásica, ese sería el final de la historia: dos fotones cada uno con una energía, el total de los cuales es un fijo valor. En mecánica cuántica, sin embargo, no podemos saber qué fotón tiene cual energía. El resultado es que ambos fotones se comportan como si tener todas las energías posibles al mismo tiempo. Lo mismo es cierto de impulso y momento angular.

Los dos también están enredados, lo que significa que si mido el energía de un fotón, luego obtengo un solo número, y el segundo El fotón toma inmediatamente la energía apropiada. A partir de ese En este momento, se comporta como un fotón con una sola energía. Es decir lo que hace que el enredo cuántico sea especial.

Podemos usar dos fotones con este tipo de altamente correlacionados propiedad para hacer imágenes. Un fotón va directamente a una cámara, mientras que el otro rebota en el objeto. El fotón que rebotó El objeto se puede registrar utilizando un fotodetector. los El experimentador hace lo siguiente: cada vez que la cámara graba un fotón (recuerde, estos no son los fotones que golpean el objeto) y el fotodetector deja de funcionar, usted conserva la imagen de la cámara. Las imágenes restantes de la cámara se desechan. Las imágenes guardadas obtienen sumado para crear una imagen completa del objeto, todo basado en luz que nunca se acercó al objeto.

Podrías pensar que este es un proceso bastante lento, y estarías derecho. Imagine que nuestra fuente de fotones enredados emite aproximadamente un millones de fotones por segundo (este sería un excelente enredado fuente de fotones). De los fotones enviados al objeto, aproximadamente uno el porcentaje de ellos rebota (el resto se pierde); de ese por ciento, tal vez uno de cada mil rebotes en un camino que envía al fotodetector. Entonces, obtenemos alrededor de 10 imágenes de cámara por segundo, cada uno de los cuales es un solo fotón que es detectado por un solo píxel del sensor de la cámara. Si la cámara tiene un millón píxeles, entonces esperamos necesitar unas 30 horas para obtener suficientes datos para combinar en una sola imagen.

Ese tipo de apesta.

�Lo que hay en un nombre?

Más tarde, los investigadores se dieron cuenta de que realmente no era necesario hacer Este tipo de imágenes con fotones individuales. La siguiente idea es un poco abstracto, pero es central para el trabajo. Los fotones siempre entran algo llamado un modo. En este caso, un modo solo describe el forma espacial de la luz, donde están los parches brillantes y oscuros. Cualquier imagen se puede describir como una suma de modos.

�Qué significa esto? En lugar de enviar pares de fotones, Puedes usar una fuente de luz intensa. Esa luz debería estar en un modo espacial único, que se divide para que descienda dos rutas. En una ruta, el modo es detectado directamente por un fotodetector En el segundo camino, la luz rebota en el objeto. y luego otro fotodetector registra cuán brillante es el reflejo modo es, que solo requiere un solo píxel.

Una computadora puede tomar las dos señales y usarlas para determinar qué tan grande es la contribución de ese modo a la imagen. A crea una imagen, simplemente recorres tantos modos como quieras desear y resumir sus contribuciones. Ahora, francamente, no creo esto es realmente una imagen fantasma, porque ya conoces el modo (ya que controla la fuente de luz), por lo que no necesita detector que lo mide.

Es por eso que los investigadores han eliminado ese detector y llaman La técnica computacional de imágenes fantasma. Los investigadores toman su conocimiento del modo enviado por la fuente de luz y luego usar la intensidad del fotodetector de un solo píxel para determinar cómo mucho ese modo contribuye a la señal.

Todavía no creo que se pueda llamar a esta imagen fantasma, independientemente de cuántos adjetivos agregas. La imagen se crea directamente. de los fotones que han rebotado en el objeto, más un cálculo basado en el modo espacial del incidente de luz en el muestra. Sin embargo, independientemente de cómo lo llames, es bonito bueno.

Brillantes luces llamativas

La ventaja de usar modos es que cada modo puede ser muy brillante. Eso significa que no hay necesidad de esperar largos períodos de tiempo como cada fotón rebota en el objeto. Sin embargo, todavía tienes que recorra muchos modos individualmente para construir la imagen. Si bien esto ralentiza las cosas, sigue siendo una gran mejora, proporcionando velocidades que alcanzan aproximadamente 10 cuadros por segundo (fps).

La desaceleración se debe a que cada modo necesita ser creado por separado, lo que generalmente se hace mediante el uso de algo como el espejo usado en un proyector. El espejo del proyector puede crear sobre 22,000 modos por segundo, mientras que una imagen de 1,024 píxeles requiere aproximadamente 2,048 modos para garantizar la precisión.

Para llegar a 1,000 fps, los investigadores abandonaron el espejo de un sistema de proyector y decidí usar solo un conjunto de 1.024 luces (LEDs). Cada LED se puede cambiar en unos pocos nanosegundos, lo que da un potencialmente una velocidad de fotogramas mucho mayor. La rejilla de luces era controlado usando un controlador personalizado que podría producir 500,000 modos por segundo, lo que proporciona a los investigadores una velocidad de fotogramas básica de 250 fps.

Pero una vez que sepa un poco sobre el objeto que está imaginando, usted puede descubrir qué modos son importantes y cuáles no. los los investigadores implementan esto usando un algoritmo evolutivo que toma los modos que eran más dominantes en la imagen anterior y agrega una muestra aleatoria de otros modos para converger rápidamente a un imagen. Esto les permitió reducir el número de modos para un 1,024 imagen de píxeles de 2.048 a 512, lo que aumenta la velocidad de fotogramas a Impresionante 1,000 fps.

En imágenes estáticas, por supuesto, esto no es muy impresionante. Entonces el Los investigadores también tomaron imágenes de escenas en movimiento. Allí, la cámara de 1,000 fps superó significativamente la configuración de velocidad de fotogramas más lenta (como esperado).

Los investigadores también hicieron una comparación bastante falsa con una normal cámara. Es una comparación pobre porque la cámara normal no era capaz de operar a 1,000 fps, y a su velocidad de cuadro normal (50 fps), no podría funcionar a una velocidad de obturación equivalente a 1,000fps. Entonces, por supuesto, las imágenes que obtuvo están bien y verdaderamente borroso.

Pero eso no resta valor a los resultados generales. Si ahí son cámaras que tienen velocidades de cuadro más rápidas y cámaras con resolución más alta. Este tipo de sistema de imágenes, sin embargo, podría alcanzar velocidades de cuadro más altas. Y es particularmente adecuado para ciertos tipos de microscopía que actualmente tienen un marco bastante lento califica y se beneficiaría de este tipo de técnica. Entonces, sí, esto es el tipo de sistema de imágenes que tendrá su lugar en el panteón de cámaras, aunque no se trata de imágenes fantasma más.

Optics Express, 2018, DOI: 10.1364 / OE.26.002427