یک سیستم بدون لنز، تصاویر واضحی در محدوده مادون قرمز میانی در نور کم و در فواصل زیاد ارائه می‌دهد که امکاناتی را برای دید در شب بهتر، بازرسی صنعتی و پایش زیست محیطی فراهم می‌کند.

پژوهشگران از نور لیزر برای تشکیل یک "روزنه اپتیکی" بسیار کوچک درون یک بلور غیرخطی استفاده کرده اند که همچنین تصویر مادون قرمز را به تصویری مرئی که یک حسگر دوربین بر پایه سیلیکون سنتی می‌تواند تشخیص دهد، تبدیل می‌کند. با این چیدمان، محققان تصاویری با عمق زیاد و واضح بدون استفاده از هیچ لنزی حتی در نور بسیار کم ثبت کردند.

پژوهشگران از ایده چند صدساله تصویربرداری روزنه‌ای برای ایجاد یک سیستم تصویربرداری مادون قرمز میانی با کارایی بالا و بدون لنز استفاده کرده‌اند. این دوربین جدید می‌تواند تصاویر بسیار واضحی را در طیف وسیعی از فواصل و در نور کم ثبت کند که آن را برای موقعیتهایی که برای دوربینهای سنتی چالش برانگیز است، سودمند می‌سازد.

هِپینگ زِنگ Heping Zeng سرپرست گروه پژوهشی از دانشگاه طبیعی شرق چین می‌گوید: "سیگنالهای مفید بسیاری مانند گرما و اثر انگشت مولکولی در محدوده مادون قرمز میانی قرار دارند، اما دوربین‌هایی که در این طول موجها کار می‌کنند، اغلب پرسرو صدا، گران قیمت یا نیازمند خنک کننده هستند. علاوه بر این، سیستمهای سنتی مبتنی بر لنز عمق میدان محدودی دارند و برای به حداقل رساندن اعوجاج‌های اپتیکی، به طراحی دقیقی نیاز دارند. ما یک رویکرد فاقد لنز با حساسیت بالا را توسعه داده ایم که عمق میدان و میدان دید بسیار بزرگتری نسبت به سایر سیستمها ارائه می‌دهد."

در مجله Optica، پژوهشگران توضیح می‌دهند که چگونه از نور برای تشکیل یک "روزنه اپتیکی" بسیار کوچک درون یک بلور غیرخطی استفاده می‌کنند که تصویر مادون قرمز را نیز به یک تصویر مرئی تبدیل می‌کند. با استفاده از این چیدمان، آنها تصاویر مادون قرمز میانی واضحی را با عمق میدان بیش از 35 سانتی‌متر و میدان دید بیش از 6 سانتی‌متر به دست آوردند. آنها همچنین توانستند از این سیستم برای دستیابی به تصاویر سه بعدی استفاده کنند.

عضو این گروه پژوهشی، کان هوانگ Kun Huang از دانشگاه طبیعی شرق چین می‌گوید: "این رویکرد می‌تواند ایمنی در زمان شب، کنترل کیفیت صنعتی و پایش زیست محیطی را ارتقا دهد و چون از اپتیک ساده‌تر و حسگرهای سیلیکونی استاندارد استفاده می‌کند، در نهایت می‌تواند سیستمهای تصویربرداری مادون قرمز را مقرون به صرفه‌تر، قابل حمل‌تر و از نظر انرژی کارآمدتر سازد و حتی می‌تواند با نوارهای طیفی دیگر مانند طول موجهای مادون قرمز دور یا تراهرتز که ساخت لنزها در آنها دشوار است یا عملکرد ضعیفی دارند به کار برده شود.

تصویربرداری روزنه‌ای دوباره استفاده شد

تصویربرداری روزنه‌ای یکی از قدیمی‌ترین روشهای تصویرسازی است که اولین بار توسط فیلسوف چینی، موزی Mozi در قرن چهارم پیش از میلاد مسیح توصیف شد. یک دوربین روزنه‌ای مرسوم که با عبور نور از یک سوراخ بسیار کوچک در یک جعبه ضد نور کار می‌کند، تصویری وارونه از صحنه بیرون را روی سطح مقابل داخلی منعکس می‌کند. برخلاف تصویربرداری مبتنی بر لنز، تصویربرداری روزنه‌ای از اعوجاج جلوگیری می‌کند، یک عمق میدان نامحدود دارد و در طیف گسترده‌ای از طول موجها کار می‌کند.

برای به وجود آوردن این مزیتها در یک سیستم تصویربرداری مادون قرمز مدرن، پژوهشگران یک لیزر پرقدرت را برای تشکیل یک حفره اپتیکی یا دیافراگم مصنوعی درون یک بلور غیرخطی به کار گرفتند. به دلیل ویژگیهای اپتیکی خاص خود، بلور تصویر مادون قرمز را به نور مرئی تبدیل می‌کند به طوریکه یک دوربین سیلیکونی استاندارد میتواند آن را ثبت کند.

پژوهشگران می‌گویند که استفاده از یک بلور با طراحی ویژه با یک ساختار تناوبی چلانده ((chirped-periodic structure که بتواند پرتوهای نور را از طیف گسترده‌ای از جهات بپذیرد، کلید دستیابی به یک میدان دید وسیع بوده است. همچنین روش تشخیص تبدیل به بالا به طور طبیعی نویز را سرکوب می‌کند که به آن اجازه می‌دهد تا حتی در شرایط نور بسیار کم نیز کار کند.

هوانگ میگوید: "تصویربرداری روزنه ای غیرخطی بدون لنز، یک روش کاربردی برای دستیابی به تصویربرداری مادون قرمز میانی فاقد اعوجاج، با عمق زیاد و میدان دید گسترده با حساسیت بالا است. پالسهای لیزری همگام سازی شده فوق کوتاه همچنین یک گیت زمانی اپتیکی فوق سریع داخلی تولید می‌کنند که می‌تواند برای تصویربرداری حساس عمق زمان پرواز حتی با فوتونهای بسیار کم مورد استفاده قرار گیرد.

پس از دریافتن اینکه شعاع روزنه اپتیکی حدود 0.2 میلیمتر جزئیات کاملا معلوم و دقیقی تولید می‌کند، پژوهشگران از این اندازه دیافراگم برای تصویربرداری اهدافی که در فاصله 11، 15 و 19 سانتیمتری قرار داشتند، استفاده کردند. آنها در طول موج 3.07 میکرومتر مادون قرمز میانی، به تصویربرداری واضحی در تمام فواصل دست یافتند. آنها همچنین توانستند تصاویر را برای اشیا قرار داده شده تا فاصله 35 سانتی متری واضح نگه دارند که نشان دهنده عمق میدان زیاد است.

تصویربرداری سه بعدی بدون لنز

پژوهشگران سپس چیدمان خود را برای دو نوع از تصویربرداری سه بعدی مورد استفاده قرار دادند. برای تصویربرداری سه بعدی زمان-پرواز time-of-flight imaging))، آنها با استفاده از پالسهای فوق سریع همگام سازی شده به عنوان گیت اپتیکی از یک خرگوش سرامیکی مات تصویربرداری کردند و توانستند شکل سه بعدی را با دقت محوری در حد میکرون بازسازی کنند. حتی وقتیکه ورودی به حدود 1.5 فوتون در هر پالس-- که شرایط با نور بسیار کم را شبیه سازی می‌کرد--کاهش یافت، این روش همچنان تصاویر سه بعدی را پس از حذف نویز مبتنی بر همبستگی تولید می‌کرد.

آنها همچنین با گرفتن دو عکس از یک هدف به صورت حروف "ECNU" روی هم چیده شده در فواصل کمی متفاوت از اشیا، تصویربرداری عمقی دو عکس لحظه ای را انجام دادند و از آنها برای محاسبه اندازه‌ها و عمق‌های واقعی استفاده کردند. با این روش آنها توانستند عمق اشیا را در محدوده حدود 6 سانتی متری بدون استفاده از تکنیک های زمانی پالسی پیچیده اندازه‌گیری کنند.

پژوهشگران خاطرنشان می‌کنند که سیستم تصویربرداری روزنه‌ای غیرخطی مادون قرمز میانی هنوز در مرحله آزمون اجرای ایده است که به یک چیدمان لیزری نسبتا پیچیده و حجیم نیاز دارد. با این حال، هر چه مواد غیرخطی جدید و منابع نوری یکپارچه توسعه پیدا کنند، این فناوری باید فشرده تر و آسانتر برای استفاده شود.

آنها اکنون در حال کار هستند تا سیستم را سریعتر، حساستر و سازگارتر با سناریوهای تصویربرداری مختلف کنند. برنامه های آنها شامل افزایش راندمان تبدیل، افزودن کنترل دینامیکی به منظور تغییر شکل روزنه اپتیکی برای چشم‌اندازهای مختلف و گسترش عملکرد دوربین در طیف وسیعتری از مادون قرمز میانی است.

منبع:

This new camera sees the invisible in 3D without lenses

ترجمه خبر: بهناز ساربانها