Técnica informática reconstruye imágenes 3D a partir de fotones individuales reflejados por objetos con poca luz
Investigadores han obtenido imágenes Ultra nítidas de objetos débilmente iluminados con un mínimo de fotones: uniendo matemáticamente la información de las partículas individuales de luz registradas por cada píxel de un detector de estado sólido.
El logro es probable que ayude a estudios de frágiles materiales biológicos, como el ojo humano, que podrían resultar dañados o destruidos por los mayores niveles de iluminación. El desarrollo también podría tener aplicaciones para la vigilancia militar, como una cámara espía que registra una escena con un mínimo de iluminación para eludir la detección.
Para crear imágenes detalladas utilizando fotones individuales, el ingeniero eléctrico Ahmed Kirmani y sus colegas del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge desarrollaron un algoritmo que tiene en cuenta las correlaciones entre las partes vecinas de un objeto iluminado, así como la física de las mediciones de poca luz. Los investigadores describen su trabajo en línea en Science.
"La cantidad de información que han sido capaces de extraer es bastante increíble", comenta el físico experimental John Howell de la Universidad de Rochester en Nueva York, que no participó del estudio.
"Nosotros no inventamos un nuevo láser o un nuevo detector", señala Kirmani. En lugar de ello, explica, el equipo aplicó un nuevo algoritmo de formación de imágenes que se puede utilizar con un detector de fotones estándar fuera de la plataforma.
Luz de la oscuridad
En la configuración del equipo, los pulsos de baja intensidad de luz láser visible escanean un objeto de interés. El láser dispara un pulso en un lugar determinado hasta que es registrado un solo fotón reflejado por un detector; cada ubicación del sistema de iluminación corresponde a un pixel en la imagen final.
Las variaciones en el tiempo que le toma a los fotones de los pulsos de láser reflejarse de vuelta desde el objeto proporciona información detallada sobre el cuerpo - una forma estándar que revela la estructura tridimensional. Sin embargo, el algoritmo desarrollado por Kirmani y sus colegas establece que la información utiliza una centésima parte del número de fotones requeridos por la detección de la luz existente y que son técnicas (LIDAR), que se utilizan comúnmente en el mapeo remoto o la medición de la biomasa forestal, por ejemplo.
"El trabajo ilustra algunos ejemplos notables de esta nueva técnica de imagen computacional y podría señalar una dirección futura para un número de imágenes de un solo fotón de imagen de profundidad", señala el experto en fotónica Gerald Buller, de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, Reino Unido, que no participó en el estudio.
Debido a que el láser produce una luz de una sola longitud de onda, la técnica produce imágenes monocromáticas, pero hasta cierto punto se pueden distinguir diferentes materiales sobre la base de la velocidad a la que reflejan el color del láser. En promedio, las regiones más oscuras requieren un mayor número de pulsos para golpearles antes de que se refleje uno.
Para simular las condiciones del mundo real, los investigadores utilizaron una lámpara incandescente que creó un nivel de pérdidas de fotones del fondo más o menos iguales a los que refleja el número del láser. Para eliminar el ruido, el equipo utilizó diversos algoritmos, lo que les permitió producir en alta resolución imágenes en 3D usando un total de cerca de un millón de fotones. En comparación, una imagen de calidad similar tomada con una cámara de teléfono móvil en condiciones de iluminación de oficinas requeriría unos cien billones de fotones, calcula Kirmani.
Artículo científico: First-Photon Imaging
