Одним фотоном

Принцип работы новой системы формирования изображения очень похож на тот, который применяется в лидарах. За одним исключением: лидару для тех же целей требуется в 100 раз больше фотонов 16 Июль 2015, 07:39
Этот проект начинался как мысленный эксперимент. Но уже на его ранних этапах команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и Бостонского университета получила финансовую поддержку Национального научного фонда США и DARPA (в рамках программы Information in a Photon).

«Нам было интересно узнать, что нужно сделать, чтобы использовать только один фотон для получения одного пикселя изображения.  А потом мы поняли, что, когда интенсивность светового потока очень мала, период времени от начала импульса до момента обнаружения фотона даст нам информацию о яркости для каждого из пикселей.»
Вивек Гойял (Vivek Goyal), доцент, член команды под руководством инженера MIT Ахмеда Кирмани (Ahmed Kirmani)
Команда Кирмани облучала опытный объект низкоинтенсивным лазером видимого диапазона света (использовались коммерчески доступные образцы лазера и детектора). Каждый раз, когда фотон отражался от объекта, он регистрировался как один пиксель финального изображения. Если на пути фотона ничего не встречалось, он не отражался и, соответственно, создавал «черный» пиксель в изображении.
Экспериментальная установка для однофотонного формирователя изображений. Лазер сканирует объект, отраженное излучение регистрируется лавинным фотодиодом, работающим в гейгеровском режиме. Каждая локация в пространстве подсвечивается до тех пор, пока не будет зарегистрирован один фотон.
«Выстреливание» последовательности лазерных импульсов и считывание отраженных фотонов — довольно распространенная методика для получения трехмерных изображений. Использование пространственной корреляции фотонов, рассеянных из разных частей сканируемой сцены, позволяет просчитать 3D-изображение.
Вычислительная реконструкция трехмерного объекта и его отражательных характеристик. 3D-изображение создается наложением фронтального и боковых видов, отрендеренных в виде облака пикселей с учетом информации об отражательной способности.
С детекторами-счетчиками фотонов изображение может быть получено с помощью чрезвычайно слабых фотонных потоков. Для подавления шумов, неизбежных при операциях со слабыми потоками, такие формирователи обычно требуют регистрации сотен фотонов на пиксель для точного определения дальности и отражательной спнособности. Кирмани и его коллегам удалось разработать методику определения 3D-структуры и отражательной способности с первого обнаруженного фотона для каждого из пикселей — вычислительную визуализацию, использующую пространственную корреляцию и физику измерений слабых потоков, ученые назвали «однофотонным формированием изображения» (first-photon imaging).
Реконструция отражательных характеристик с учетом зарегистрированных фотонов. К изображению применяется калибровка относительно точки с самой высокой отражающей способностью.
По мнению самих исследователей, однофотонное формирование изображения может пригодиться в самых разных областях — например, при создании дистанционных систем зондирования. Именно это признание ученых (а также поддержка DARPA) позволяет сделать вывод, что теперь у военных может появиться еще один инструмент для наблюдения, который сможет работать в практически полной темноте. Кроме того, однофотонное формирование изображения может увеличить рабочие расстояния для систем дистанционного зондирования, а заодно уменьшить мощность трансмиттеров. Среди мирных применений — использование в биологических исследованиях, в которых мощность лазера теперь можно снизить без ухудшения качества изображения. Это, к примеру, касается флюоресцентной микроскопии в реальном времени. Однофотонную визуализацию вполне можно применять и офтальмологам — для создания карты глазного дна пациента — без ощутимого воздействия на глаз. «Создание изображений с помощью этого метода может быть очень важным для множества научных, коммерческих и промышленных приложений», — считает Кирмани.
Сравнение изображений, полученных с помощью однофотонного формирователя изображений и лидара. Отрендеренное изображение объекта, полученное с помощью вычислительной реконструкции (серый) и 3D-лидара (зеленый), показано с трех сторон — фронтальной (B) и боковых (A, C). Стрелки указывают на области наиболее сильных расхождений. Цветное кодирование (D, F) указывает на разницу в отрисовке поверхностей (наложение на реконструкцию, сделанную лидаром).
Методика позволяет получать только монохромное изображение, так как лазер является источником света одной длины волны. Но так как темные области требуют большего количества импульсов лазера, с тем чтобы получить отражение, однофотонный формирователь изображения может служить для идентификации материалов, что возможно с учетом их отражательных способностей.
Есть и способы дальнейшего улучшения методики — этого можно добиться использованием более качественных алгоритмов подав­ления фонового свечения, а также применяя селекторный импульс дальности и улучшая однофотонные детекторы.