Κάμερα χωρίς φακούς «βλέπει» το αόρατο σε 3D

Μια νέα τεχνολογία που ανέπτυξαν επιστήμονες στην Κίνα υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε τον κόσμο γύρω μας – και κυρίως αυτόν που δεν μπορούμε να δούμε. Ερευνητές από το East China Normal University παρουσίασαν μια κάμερα μεσαίου υπερύθρου φάσματος που λειτουργεί χωρίς φακούς, αξιοποιώντας μια σύγχρονη εκδοχή της τεχνικής της «οπής», γνωστής από την αρχαιότητα. Το σύστημα επιτυγχάνει ευκρινείς εικόνες σε μεγάλες αποστάσεις και σε πολύ χαμηλό φωτισμό, προσφέροντας ακόμη και τρισδιάστατες αναπαραστάσεις.

Η δύναμη του υπερύθρου

Οι παραδοσιακές κάμερες που καταγράφουν στο μεσαίο υπέρυθρο φάσμα έχουν σημαντικούς περιορισμούς. Είναι ακριβές, θορυβώδεις, απαιτούν συχνά ψύξη και η χρήση φακών οδηγεί σε περιορισμένο βάθος πεδίου και οπτικές παραμορφώσεις. Ωστόσο, το υπέρυθρο φάσμα είναι πολύτιμο: εκεί εντοπίζονται σήματα θερμότητας αλλά και «μοριακά αποτυπώματα» που βοηθούν στην ταυτοποίηση υλικών. Η νέα προσέγγιση επιχειρεί να ξεπεράσει τα μειονεκτήματα, φέρνοντας ευκρινείς εικόνες χωρίς φακούς και με μεγαλύτερη αξιοπιστία.

Από τον Mozi στο εργαστήριο

Η τεχνική της pinhole imaging περιγράφεται ήδη από τον 4ο αιώνα π.Χ. από τον Κινέζο φιλόσοφο Mozi. Μια μικροσκοπική οπή αφήνει το φως να περάσει μέσα σε σκοτεινό θάλαμο, προβάλλοντας την εικόνα του εξωτερικού κόσμου. Το πλεονέκτημα είναι η απουσία παραμορφώσεων και το πρακτικά «άπειρο» βάθος πεδίου.

Οι ερευνητές μετέφεραν αυτή την ιδέα στο σήμερα, χρησιμοποιώντας ισχυρό laser για να δημιουργήσουν μια οπτική οπή μέσα σε ένα μη γραμμικό κρύσταλλο. Ο κρύσταλλος αυτός έχει την ιδιότητα να μετατρέπει το υπέρυθρο φως σε ορατό, ώστε να μπορεί να καταγραφεί από έναν τυπικό αισθητήρα πυριτίου, όπως αυτόν που έχουν οι περισσότερες κάμερες.

Καθαρές εικόνες και σε χαμηλό φωτισμό

Με αυτή τη διάταξη, οι ερευνητές πέτυχαν καθαρές εικόνες με βάθος πεδίου που φτάνει τα 35 εκατοστά και πεδίο όρασης άνω των 6 εκατοστών. Σε δοκιμές σε αποστάσεις 11, 15 και 19 εκατοστών, η λεπτομέρεια παρέμεινε εξαιρετική, ενώ η ποιότητα εικόνας διατηρήθηκε ακόμη και στα 35 εκατοστά.

Το κλειδί ήταν ένας ειδικός κρύσταλλος με δομή που δέχεται φωτεινές ακτίνες από πολλές κατευθύνσεις, επιτρέποντας μεγαλύτερο πεδίο όρασης. Η μέθοδος μετατροπής καταστέλλει φυσικά τον θόρυβο, κάτι που την καθιστά λειτουργική ακόμη και σε συνθήκες με ελάχιστο φως.

Από τη νυχτερινή όραση στη βιομηχανία

Οι δυνατότητες της νέας κάμερας είναι ευρύτατες. Σύμφωνα με τον Heping Zeng, επικεφαλής της έρευνας, και τον Kun Huang, μέλος της ομάδας, η τεχνολογία μπορεί να αξιοποιηθεί για την ασφάλεια τη νύχτα, τον βιομηχανικό έλεγχο ποιότητας και την περιβαλλοντική παρακολούθηση. Το γεγονός ότι χρησιμοποιεί απλούστερα οπτικά εξαρτήματα και τυπικούς αισθητήρες υπόσχεται να μειώσει το κόστος και να κάνει τις κάμερες υπερύθρου πιο φορητές και αποδοτικές ενεργειακά.

Επιπλέον, το σύστημα μπορεί να προσαρμοστεί σε άλλα φάσματα, όπως το μακρινό υπέρυθρο ή τα κύματα terahertz, όπου η κατασκευή φακών είναι ιδιαίτερα δύσκολη.

Εικόνες σε τρεις διαστάσεις

Η ομάδα προχώρησε ένα βήμα παραπέρα, επιτυγχάνοντας τρισδιάστατη απεικόνιση. Σε μία περίπτωση, απεικόνισαν ένα κεραμικό κουνελάκι με παλμούς laser εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας, ανασυνθέτοντας το σχήμα του με ακρίβεια μικρού επιπέδου. Ακόμη και όταν μείωσαν την ένταση στο επίπεδο των 1,5 φωτονίων ανά παλμό – προσομοιώνοντας ακραίες συνθήκες χαμηλού φωτισμού – η μέθοδος συνέχισε να παράγει αξιόπιστες τρισδιάστατες εικόνες.

Σε άλλη δοκιμή, τράβηξαν δύο εικόνες από διαφορετικές αποστάσεις ενός στόχου με γράμματα, καταφέρνοντας να υπολογίσουν τα αληθινά βάθη των αντικειμένων χωρίς περίπλοκες τεχνικές χρονομέτρησης.

Ακόμη σε πειραματικό στάδιο

Παρότι τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά, το σύστημα βρίσκεται ακόμη σε φάση proof-of-concept. Η χρήση ισχυρού laser και ογκώδους εξοπλισμού το καθιστούν δύσκολο να βρει άμεσα πρακτικές εφαρμογές. Οι ερευνητές, ωστόσο, εργάζονται για να το καταστήσουν πιο γρήγορο, ευαίσθητο και προσαρμόσιμο. Στα σχέδιά τους περιλαμβάνονται η βελτίωση της αποδοτικότητας μετατροπής, η δυναμική διαμόρφωση της οπτικής οπής για διαφορετικές σκηνές και η επέκταση της λειτουργίας σε ακόμη ευρύτερο φάσμα μεσαίου υπερύθρου.

[via]