Как увидеть что-либо по одиночным фотонам

Александр Березин — 29 ноября 2013 года, 18:49

Ночь, улица, сверхдорогой лидар, строгий министр финансов... Кошмары, мучающие генералов по ночам, могут утратить один важный элемент: новая система, объединяющая фотодетектор и маломощный лазер и работающая в видимом диапазоне, претендует на умение видеть при экстремально низкой освещённости.

Инженер Ахмед Кирмани (Ahmed Kirmani) вместе с коллегами по Массачусетскому технологическому институту (США) создал алгоритм обработки данных, поступающих на видеокамеры, который способен учесть а) корреляции между соседними частями освещаемого объекта и б) особенности физики измерений при низкой освещённости.

Обычный лидар из лазера и фотодетектора. При формальном сходстве с новой системой, созданной в МТИ, он «видит в темноте» в сотню и более раз хуже. (Фото Wikimedia Commons.)


«Мы не изобрели ни нового лазера, ни нового детектора», — скоромничает Ахмед, объясняя, что его команда просто применила новый алгоритм обработки изображений, который может использовать любая другая современная пара, состоящая из лазера и фотонного детектора.

В экспериментальной установке обычный лазер с низкоинтенсивными импульсами, работающий в видимом свете, «обстреливает» интересующий наблюдателя предмет. Импульсы посылаются к объекту, покуда хотя бы один отражённый обратно фотон не будет зарегистрирован спаренным с лазером детектором и не станет соответствовать одному пикселу конечного изображения. Затем операция повторяется до тех пор, пока весь объект не «картографируется».

А вот отличия во времени прихода отражённых фотонов от этих импульсов используются для получения информации о вариациях глубины на поверхности объекта. Да, это звучит похоже на стандартную технику формирования объёмного изображения лидаром, если бы не одно «но»: алгоритм Кирмани и Ко обеспечивает получение корректного изображения такой же детализации, как у обычных систем-аналогов, довольствуясь лишь одной сотой от того количества фотонов, которое нужно нынешним лучшим лидарам.



Поскольку сейчас лазер создаёт волны фиксированной длины, изображения пока выходят монохроматическими — чёрно-белыми. Но не совсем: по тому, с какой интенсивностью разные точки объекта отражают импульсы лазера, составляющего активную часть системы, можно до некоторой степени распознать и цвета объекта, благо восстановление изображения тёмной, скажем, поверхности требует большего числа отражённых фотонов и самих импульсов, чем «картографирование» светлых участков.

Изначально очень расплывчатое изображение обрабатывается алгоритмом Кирмани вплоть до получения чёткого объёмного образа. По сути, прибор работоспособен в условиях беззвёздной ночи и при этом, в отличие от продвинутых тепловизоров, не будет баснословно дорогим. (Иллюстрация Kirmani, A. et al.)


Для проверки алгоритма и его способности противостоять «шумам» авторы использовали фотодетектор вкупе с обычной лампой накаливания. Они установили последнюю на таком расстоянии от объекта, чтобы интенсивность его освещения примерно соответствовала освещению лазером очень малой мощности. В итоге удалось получить корректное объёмное изображение с высоким разрешением с помощью всего одного миллиона фотонов.

Подчеркнём: это условия весьма низкого освещения. И восстановление точного 3D-изображения при таком уровне до сих пор оставалось категорически невозможным. Чтобы было с чем сравнить: если вы возьмёте ваш телефон и попробуете сделать им изображение такого же качества при типичном офисном освещении, это потребует сотен триллионов фотонов!

Такого рода алгоритмы вкупе с маломощными лазерами, не обязательно работающими в видимом диапазоне, могут найти широкое применение как в изучении биологических тканей, чувствительных к свету, так и (особенно!) в военных и разведывательных приложениях.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Подготовлено по материалам Nature News.