Nye fremskridt hen imod chip-baseret spøgelsesbillede

For første gang, forskere har vist, at den ikke-konventionelle billeddannelsesmetode kendt som spøgelsesbilleder kan udføres ved hjælp af en billig, chip-baseret lys-oplysende enhed. Dette vigtige skridt hen imod chip-baseret spøgelsesbillede kan gøre billeddannelsesmetoden praktisk til applikationer som biomedicinsk billeddannelse i chipskala, lysdetektion og rækkevidde (LIDAR), og internet-of-things-sensorenheder.

Der er stor interesse for spøgelsesbilleder, fordi det kan udføres med en billig enkeltpixel detektor i stedet for en kompleks, og typisk dyre, kamera. Når det kombineres med den komprimerede sensing beregningsmetode, spøgelsesbilleder kan også opnå højere følsomhed og hurtigere billeddannelse end traditionelle metoder, især i ikke-synlige bølgelængdeområder.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskere fra University of Tokyo beskriver, hvordan de erstattede en omfangsrig optisk komponent, der typisk bruges til spøgelsesbilleder, med et nyudviklet chip-baseret optisk faset array (OPA), der kun måler 4 gange 4 millimeter.

"Hvis det er billigt, enkelt-chip billeddannelsesenheder blev kommercialiseret, det ville muliggøre billig LIDAR, som er teknologien selvkørende biler, droner og autonome robotter bruger til at se deres omgivelser, " sagde Takuo Tanemura, der ledede forskerholdet. "Også, små billedbehandlingsenheder kunne indlejres i smartphones for at tillade forbedret 3-D-billeddannelse og sundhedsovervågning."

Hurtigere, billigere billeddannelse

Spøgelsesbilleder fungerer ved at oplyse et objekt med tilfældige pletter, der ændrer sig over tid. Ved at korrelere den transmitterede (eller reflekterede) optiske kraft, der bevæger sig gennem objektet, med intensitetsfordelingen af ​​plettermønstrene, kan et billede af objektet opnås.

Selvom denne billedbehandlingsmetode blev foreslået for mere end 10 år siden, de omfangsrige og langsomme rumlige lysmodulatorer, der bruges til at generere pletternes belysningsmønstre, har holdt spøgelsesbilleder for det meste begrænset til laboratoriet.

I det nye værk, forskerne overvandt en iboende udfordring ved at anvende store OPA'er, som bruger en række justerbare integrerede bølgelederelementer til at styre lysets fase. I stedet for at prøve at justere alle de optiske faser præcist, hvilket er udfordrende i praksis, de designede en OPA, hvor de fasekontrollerende elementer fungerer tilfældigt. Dette gjorde det muligt for dem at generere tilfældigt skiftende pletter, der var perfekte til spøgelsesbilleder.

"Sammenlignet med tidligere implementeringer af spøgelsesbilleder ved brug af rumlige lysbølgemodulatorer, der var store og langsomme (typisk opererer i kilohertz-området), at bruge et integreret phased array er meget mere kompakt og giver lavere omkostninger, " sagde Tanemura. "Vores tilgang har også potentialet til at nå højere end gigahertz driftshastigheder, eller seks størrelsesordener hurtigere end SLM-baserede tilgange."

For at skabe det tilfældige plettermønster, forskerne anvendte hurtigt skiftende tilfældige elektriske signaler på 128 integrerede faseskifterelementer på OPA. De demonstrerede 2D-billeddannelse med mere end 90 opløselige punkter i X-retningen (bestemt af antallet af faseskiftere) og 14 pixels i Y-retningen (bestemt af antallet af testede bølgelængder). Resultaterne stemte godt overens med teoretiske forudsigelser.

Mindre, billigere LIDAR

"Denne type billedbehandlingsenhed kunne være særlig nyttig for LIDAR, som i øjeblikket producerer 3D-billeder ved hjælp af et omfangsrigt mekanisk spejl til at styre en laserstråle, " sagde Tanemura. "Det anslås, at omkostningerne, størrelse og responstid for LIDAR skal reduceres med 1 til 2 størrelsesordener for at blive udbredt i ikke-luksus massemarkedsbiler. En spøgelsesbilledenhed i chip-skala kunne opnå dette."

Forskerne vil fortsætte arbejdet med at gøre den nye teknologi endnu mere praktisk. De eksperimenterer med elektro-optiske faseskiftere, der kan øge OPA-driften til hastigheder over gigahertz. De planlægger også at øge scanningshastigheden yderligere og vil gerne integrere alle de optiske komponenter på den samme chip som OPA for at opnå 2-D og 3-D billeddannelse uden nogen off-chip komponenter.

"Hvis vi er i stand til at integrere alle de nødvendige komponenter, inklusive lyskilde og detektor, på en chip, så ville en enkelt-chip spøgelsesbilledenhed være mulig, " sagde Tanemura.