Esta nova câmera vê o invisível em 3D sem lentes

“Muitos sinais úteis estão no infravermelho médio, como calor e impressões digitais moleculares, mas as câmeras que trabalham nesses comprimentos de onda são frequentemente barulhentas, caras ou requerem refrigeração”, disse o líder da equipe de pesquisa que Histing Zeng, da Universidade Normal da China Oriental. “Além disso, as configurações tradicionais baseadas em lentes têm uma profundidade de campo limitada e precisam de um design cuidadoso para minimizar as distorções ópticas. Desenvolvemos uma abordagem de alta sensibilidade e livre de lentes que oferece uma profundidade muito maior de campo e campo de visão do que outros sistemas”.

Em ÓpticoRevista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores descrevem como eles usam luz para formar um pequeno “orifício óptico” dentro de um cristal não linear, que também transforma a imagem infravermelha em uma visível. Usando essa configuração, eles adquiriram imagens transparentes no infravermelho médio com uma profundidade de campo de mais de 35 cm e um campo de visão de mais de 6 cm. Eles também foram capazes de usar o sistema para adquirir imagens 3D.

“Essa abordagem pode melhorar a segurança noturna, o controle da qualidade industrial e o monitoramento ambiental”, disse Kun Huang, membro da equipe de pesquisa, da Universidade Normal da China Oriental. “E como usa óptica mais simples e sensores de silício padrão, pode eventualmente tornar os sistemas de imagem infravermelha mais acessíveis, portáteis e com eficiência energética. Ele pode até ser aplicado com outras bandas espectrais, como os comprimentos de onda de infravermelho ou terahertz distantes, onde são difíceis de fazer ou ter um desempenho.”

Imagens de orifício reimaginado

A imagem do pinhole é um dos métodos de criação de imagens mais antigos, descritos pela primeira vez pelo filósofo chinês Mozi no século IV aC. Uma câmera tradicional de orifício funciona deixando a luz passar por um pequeno orifício em uma caixa à prova de luz, projetando uma imagem invertida da cena externa na superfície oposta dentro. Ao contrário da imagem baseada em lentes, a imagem do pinhole evita distorção, possui uma profundidade de campo infinita e trabalha em uma ampla gama de comprimentos de onda.

Para trazer essas vantagens a um moderno sistema de imagem infravermelha, os pesquisadores usaram um laser intenso para formar um orifício óptico ou abertura artificial, dentro de um cristal não linear. Devido às suas propriedades ópticas especiais, o cristal converte a imagem infravermelha em luz visível, para que uma câmera de silício padrão possa gravá -la.

Os pesquisadores dizem que o uso de um cristal especialmente projetado com uma estrutura de periódio chirped, que pode aceitar raios de luz de uma ampla gama de direções, foi a chave para alcançar um grande campo de visão. Além disso, o método de detecção de conversão up -concorda naturalmente suprime o ruído, o que permite funcionar mesmo em condições de luz muito baixa.

“A imagem não linear sem linear é uma maneira prática de obter imagens intermediárias sem distorção, de grande profundidade, de campo amplo de visagem, com alta sensibilidade”, disse Huang. “Os pulsos de laser sincronizados por ultração também fornecem uma porta de tempo óptica ultra-rápida embutida que pode ser usada para imagens sensíveis de profundidade de tempo de voo, mesmo com muito poucos fótons”.

Depois de descobrir que um raio óptico de orifício de cerca de 0,20 mm produziu detalhes nítidos e bem definidos, os pesquisadores usaram esse tamanho de abertura para obter alvos de imagem que eram 11 cm, 15 cm e 19 cm de distância. Eles alcançaram imagens nítidas no comprimento de onda do infravermelho médio de 3,07 μm, em todas as distâncias, confirmando uma grande faixa de profundidade. Eles também foram capazes de manter as imagens afiadas para objetos colocados até 35 cm de distância, demonstrando uma grande profundidade de campo.

Imagem 3D sem lentes

Os investigadores usaram sua configuração para dois tipos de imagens 3D. Para imagens de tempo de voo em 3D, eles fotografaram um coelho de cerâmica fosca usando pulsos ultra-rápidos sincronizados como uma porta óptica e foram capazes de reconstruir a forma 3D com precisão axial em nível de mícrons. Mesmo quando a entrada foi reduzida para cerca de 1,5 fótons por pulso-simulando condições com pouca luz-o método ainda produzia imagens 3D após denoising baseado em correlação.

Eles também realizaram imagens de profundidade de duas snapshot tirando duas fotos de um alvo “ECNU” empilhado em distâncias de objetos ligeiramente diferentes e usando-as para calcular os tamanhos e profundidades verdadeiros. Com esse método, eles foram capazes de medir a profundidade dos objetos em um intervalo de cerca de 6 centímetros, sem usar técnicas complexas de tempo pulsado.

Os pesquisadores observam que o sistema de imagem não linear de pinhole não-linear intermediário ainda é uma prova de conceito que requer uma configuração de laser relativamente complexa e volumosa. No entanto, à medida que novos materiais não lineares e fontes de luz integradas são desenvolvidas, a tecnologia deve se tornar muito mais compacta e mais fácil de implantar.

Agora eles estão trabalhando para tornar o sistema mais rápido, mais sensível e adaptável a diferentes cenários de imagem. Seus planos incluem aumentar a eficiência da conversão, adicionar controle dinâmico para remodelar o orifício óptico para diferentes cenas e estender a operação da câmera em uma faixa mais ampla do infravermelho médio.