Imaging mit 1.000 fps mit einem einzelnen Pixel

Nein, nicht diese Geister. Vergrößern / Nein, nicht diese Geister Christman

Am längsten war die Bildgebung wahrscheinlich die langweiligste Das ma vorstellbar. Es sei denn, Sie waren aufgeregt, verschiedene zu vergleichen Markenobjektive in Massenproduktion, über die es nicht viel zu reden gab. Das änderte sich kurz mit der Erfindung des Lasers, aber die Die eigentliche Bildgebungstechnologie war immer noch … ja, langweilig.

In den letzten zehn Jahren haben sich die Dinge jedoch wirklich geändert Teil wegen neuer Denkweisen darüber, was ein Bild eigentlich ist Unter den vielen faszinierenden Variationen traditioneller Die Bildgebung wird als Geisterbildgebung bezeichnet. Die Idee des Geistes Die Bildgebung sollte die Quantennatur des Lichts nutzen, um ein Objekt abzubilden durch Detektion von Photonen, die dem niemals tatsächlich begegnet waren Objekt. Dies ist eine umwerfende Idee, die jetzt entwickelt wurde der Punkt, an dem es in einigen Fällen tatsächlich praktikabel sein könnte Umstände – vor allem, wenn Sie ungefähr 1.000 Geister erwerben können Bilder pro Sekunde.

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Die ursprüngliche Idee hinter Ghost Imaging machte von etwas Gebrauch Quantenverschränkung genannt. Stellen Sie sich vor, ich hätte ein einzelnes Photon dass ich in zwei Photonen schneide. Weil das Universum nicht erschafft oder zerstören Dinge wie Energie, Impuls oder Drehimpuls, die Die in den beiden Photonen enthaltene Energie muss sich zum Wert der Energie, die im ersten Photon enthalten ist.

Die Gesamtenergie kann jedoch nach Belieben aufgeteilt werden. Wenn Dies war die klassische Physik, das wäre das Ende der Geschichte: zwei Photonen mit jeweils einer Energie, deren Summe eine feste ist Wert. In der Quantenmechanik können wir jedoch nicht wissen, welches Photon hat welche energie. Das Ergebnis ist, dass sich beide Photonen so verhalten, als ob sie habe alle möglichen Energien gleichzeitig. Gleiches gilt für Impuls und Drehimpuls.

Die beiden sind auch verwickelt, was bedeutet, dass wenn ich das messe Energie eines Photons, dann bekomme ich eine einzelne Zahl und die zweite Das Photon nimmt dann sofort die entsprechende Energie auf. Davon Momentan verhält es sich wie ein Photon mit einer einzigen Energie. Das ist was macht Quantenverschränkung besonders.

Wir können zwei Photonen mit dieser Art von hoch korrelierten verwenden Eigenschaft, um Bilder zu machen. Ein Photon geht direkt zu einer Kamera, während der andere vom Objekt abprallt. Das Photon, das abprallte Das Objekt kann dann mit einem Fotodetektor registriert werden. Das Der Experimentator führt dann Folgendes aus: Jedes Mal, wenn die Kamera aufzeichnet ein Photon (denk dran, das sind nicht die Photonen, die auf das Photon treffen) Objekt) und der Fotodetektor wird bing, Sie behalten das Kamerabild. Die restlichen Kamerabilder werden weggeworfen. Die gespeicherten Bilder erhalten addiert, um ein vollständiges Bild des Objekts zu erstellen, basierend auf Licht, das niemals in die Nähe des Objekts kam.

Sie könnten denken, dass dies ein ziemlich langsamer Prozess ist, und Sie würden es sein richtig. Stellen Sie sich vor, unsere verschränkte Photonenquelle emittiert ungefähr a Millionen Photonen pro Sekunde (dies wäre eine hervorragende Verstrickung Photonenquelle). Von den an das Objekt gesendeten Photonen etwa eines Prozent von ihnen prallen ab (der Rest ist verloren); von diesem Prozent, vielleicht prallt einer von tausend auf einem Weg ab, der sendet es an den Fotodetektor. Wir erhalten also ungefähr 10 Kamerabilder pro zweitens, von denen jedes ein einzelnes Photon ist, das von a detektiert wird einzelnes Pixel des Kamerasensors. Wenn die Kamera eine Million hat Pixel, dann erwarten wir etwa 30 Stunden, um genügend Daten zu erhalten zu einem einzigen Bild kombinieren.

Diese Art ist zum Kotzen.

Was ist in einem Namen?

Später stellten die Forscher fest, dass Sie das nicht wirklich tun mussten diese Art der Abbildung mit einzelnen Photonen. Die nächste Idee ist ein wenig abstrakt, aber es ist zentral für die Arbeit. Photonen kommen immer herein so etwas wie ein Modus. In diesem Fall beschreibt ein Modus nur die räumliche Form des Lichts – wo die hellen und dunklen Flecken sind. Jedes Bild kann als Summe von Modi beschrieben werden.

Was bedeutet das? Anstatt Photonenpaare auszusenden, Sie können eine intensive Lichtquelle verwenden. Das Licht sollte in einem sein einzelner räumlicher Modus, der geteilt wird, so dass er zwei nach unten wandert Pfade. In einem Pfad wird der Modus direkt von a erkannt Fotodetektor. Auf dem zweiten Weg wird das Licht vom Objekt reflektiert und dann registriert ein anderer Fotodetektor, wie hell das reflektierte Licht ist Modus ist – was nur ein einzelnes Pixel erfordert.

Ein Computer kann dann die beiden Signale aufnehmen und dazu verwenden Bestimmen Sie, welchen Beitrag dieser Modus zum Bild leistet. Zu Wenn Sie ein Bild erstellen, durchlaufen Sie einfach so viele Modi wie Sie möchten wünschen und ihre Beiträge zusammenfassen. Ehrlich gesagt glaube ich nicht Das ist wirklich Ghost Imaging, weil Sie den Modus bereits kennen (da Sie die Lichtquelle steuern), so brauchen Sie die nicht Detektor, der es misst.

Aus diesem Grund haben die Forscher diesen Detektor entfernt und angerufen die Technik Computational Ghost Imaging. Die Forscher nehmen ihre Kenntnis des Modus von der Lichtquelle gesendet und dann verwenden die Intensität des Einzelpixel-Fotodetektors, um zu bestimmen, wie Vieles trägt dieser Modus zum Signal bei.

Ich glaube immer noch nicht, dass man diese Geisterbilder überhaupt nennen kann wie viele Adjektive du anheftest. Das Bild wird direkt erstellt von den Photonen, die vom Objekt abgeprallt sind, plus a Berechnung basierend auf dem räumlichen Modus des Lichts, das auf das Licht einfällt Stichprobe. Egal wie du es nennst, es ist hübsch cool.

Helle auffällige Lichter

Der Vorteil der Verwendung von Modi besteht darin, dass jeder Modus sehr unterschiedlich sein kann hell. Das bedeutet, dass Sie nicht lange warten müssen Jedes Photon prallt vom Objekt ab. Sie müssen jedoch noch Durchlaufen Sie viele Modi einzeln, um das Bild aufzubauen. Während dies die Dinge verlangsamt, ist es immer noch eine enorme Verbesserung, Bereitstellung von Geschwindigkeiten von etwa 10 Bildern pro Sekunde (fps).

Die Verlangsamung ist, weil jeder Modus erstellt werden muss separat, was in der Regel durch die Verwendung von etwas wie dem getan wird Spiegel in einem Projektor verwendet. Der Projektorspiegel kann etwa erzeugen 22.000 Modi pro Sekunde, während ein Bild mit 1.024 Pixeln ungefähr benötigt 2.048 Modi zur Sicherstellung der Genauigkeit.

Um auf 1.000 fps zu kommen, haben die Forscher den Spiegel von a verlassen Projektor-System und beschlossen, nur eine Reihe von 1.024 Lichtern zu verwenden (LEDs). Jede LED könnte in wenigen Nanosekunden geschaltet werden, was a ergibt möglicherweise viel höhere Bildrate. Das Lichtgitter war gesteuert mit einer kundenspezifischen Steuerung, die 500.000 produzieren könnte Modi pro Sekunde, die den Forschern eine Grundbildrate von 250fps.

Aber sobald Sie ein wenig über das Objekt wissen, das Sie abbilden, Sie kann herausfinden, welche Modi wichtig sind und welche nicht. TheForscher implementieren dies mit einem evolutionären Algorithmus, der nimmt die Modi auf, die im vorherigen Bild und am dominantesten waren fügt eine zufällige Auswahl anderer Modi hinzu, um schnell zu einer zu konvergieren Bild. Dadurch konnten sie die Anzahl der Modi für 1.024 reduzieren Pixelbild von 2.048 auf 512, wodurch die Framerate auf ein erhöht wird beeindruckende 1.000 fps.

Bei statischen Bildern ist dies natürlich nicht sehr beeindruckend. Also die Forscher stellten auch bewegte Szenen dar. Dort die 1.000fps Kamera übertraf die langsameren Einstellungen für die Bildrate erheblich (wie erwartet).

Die Forscher haben auch einen ziemlich falschen Vergleich mit einem normalen gemacht Kamera. Es ist ein schlechter Vergleich, weil die normale Kamera nicht war fähig, mit 1.000 fps und seiner normalen Bildrate zu arbeiten (50fps), es konnte nicht mit einer Verschlusszeit betrieben werden, die äquivalent zu ist 1.000 fps. Natürlich sind die erhaltenen Bilder wirklich gut verschwommen.

Dies beeinträchtigt jedoch nicht das Gesamtergebnis. Ja da Es gibt Kameras, die schnellere Bildraten haben und Kameras mit höhere Auflösung. Diese Art von Abbildungssystem könnte jedoch erreichen höhere Bildraten. Und es ist besonders geeignet für Bestimmte Arten der Mikroskopie haben derzeit einen recht langsamen Rahmen Preise und würde von dieser Art von Technik profitieren. Also ja, das hier ist die Art von Bildgebungssystem, das seinen Platz in der Pantheon der Kameras – auch wenn es keine Geisterbilder sind Mehr.

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

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