Una nuova fotocamera può fotografarti da 45 chilometri di distanza

Immagini dalla carta Imaging 3D computazionale a fotone singolo a 45 km

La fotografia a lunga distanza sulla Terra è una sfida difficile. Catturare abbastanza luce da un soggetto a grandi distanze non è facile. E anche allora, l'atmosfera introduce distorsioni che possono rovinare l'immagine; così fa l'inquinamento, che è un problema particolare nelle città. Ciò rende difficile ottenere qualsiasi tipo di immagine oltre una distanza di pochi chilometri circa (supponendo che la fotocamera sia montata abbastanza in alto da terra per far fronte alla curvatura della Terra).

Ma negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a sfruttare i fotorivelatori sensibili per fare molto meglio. Questi rivelatori sono così sensibili che possono raccogliere singoli fotoni e usarli per mettere insieme immagini di soggetti fino a 10 chilometri (sei miglia) di distanza.

Tuttavia, i fisici vorrebbero migliorare ancora di più. E oggi, Zheng-Ping Li e colleghi dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina a Shanghai mostrano come fotografare soggetti fino a 45 km (28 miglia) di distanza in un ambiente urbano infestato dallo smog. La loro tecnica utilizza rivelatori a fotone singolo combinati con un algoritmo di imaging computazionale unico che consente di ottenere immagini ad altissima risoluzione unendo insieme i punti dati più rari.

La nuova tecnica è relativamente semplice in linea di principio. Si basa sulla portata e sul rilevamento laser, o lidar, che illumina il soggetto con la luce laser e quindi crea un'immagine dalla luce riflessa.

Il grande vantaggio di questo tipo di imaging attivo è che i fotoni riflessi dal soggetto ritornano al rivelatore entro una finestra temporale specifica che dipende dalla distanza. Quindi tutti i fotoni che arrivano al di fuori di questa finestra possono essere ignorati.

Questo gating riduce drasticamente il rumore creato da fotoni indesiderati provenienti da altre parti dell'ambiente. E consente ai sistemi lidar di essere altamente sensibili e specifici per la distanza.

Per rendere il nuovo sistema ancora migliore negli ambienti urbani, Zheng-Ping e co utilizzano un laser a infrarossi con una lunghezza d'onda di 1550 nanometri, una frequenza di ripetizione di 100 kilohertz e una potenza modesta di 120 milliwatt. Questa lunghezza d'onda rende il sistema sicuro per gli occhi e consente al team di filtrare i fotoni solari che altrimenti travolgerebbero il rivelatore.

I ricercatori inviano e ricevono questi fotoni attraverso lo stesso apparato ottico, un normale telescopio astronomico con un'apertura di 280 mm. I fotoni riflessi vengono quindi rilevati da un rivelatore commerciale a fotone singolo. Per creare un'immagine, i ricercatori scansionano il campo visivo utilizzando uno specchio piezo-controllato che può inclinarsi verso l'alto, il basso e lateralmente.

In questo modo possono creare immagini bidimensionali. Ma modificando i tempi di gating, possono raccogliere fotoni riflessi da diverse distanze per costruire un'immagine 3D.

L'ultimo progresso che il team ha fatto è sviluppare un algoritmo che unisce un'immagine utilizzando i dati del singolo fotone. Questo tipo di imaging computazionale ha compiuto passi da gigante negli ultimi anni, consentendo ai ricercatori di creare immagini da insiemi di dati relativamente piccoli.

I risultati parlano da soli. Il team ha installato la nuova telecamera al 20° piano di un edificio sull'isola di Chongming a Shanghai e l'ha puntata verso il Pudong Civil Aviation Building dall'altra parte del fiume, a circa 45 km di distanza.

Le immagini convenzionali riprese attraverso il telescopio non mostrano altro che rumore. Ma la nuova tecnica produce immagini con una risoluzione spaziale di circa 60 cm, che risolve le finestre degli edifici. Questo risultato dimostra la capacità superiore del sistema LiDAR a fotone singolo nel vicino infrarosso di risolvere i bersagli attraverso lo smog, afferma il team.

Questo è anche significativamente migliore del limite di diffrazione convenzionale di 1 metro a 45 km e sicuramente migliore di altri algoritmi sviluppati di recente. L'immagine qui mostra il potenziale della tecnica in immagini riprese alla luce del giorno da una distanza di 21 km. I nostri risultati aprono una nuova sede per l'imaging ottico 3D ad alta risoluzione, veloce e a bassa potenza su distanze ultra lunghe, affermano Zheng-Ping e co.

È un lavoro interessante che ha una vasta gamma di applicazioni. Il team menziona il telerilevamento, la sorveglianza aerea e il riconoscimento e l'identificazione dei bersagli. In effetti, l'intero dispositivo ha le dimensioni di una grande scatola da scarpe e quindi è relativamente portatile.

E Zheng-Ping e compagni affermano che può essere notevolmente migliorato. Il nostro sistema è fattibile per l'imaging a poche centinaia di chilometri perfezionando la configurazione, e quindi rappresenta una pietra miliare significativa verso LiDAR rapido, a bassa potenza e ad alta risoluzione su distanze extra lunghe, dicono.

Quindi continua a sorridere: potrebbero guardarti.

Rif: arxiv.org/abs/1904.10341 : Imaging 3D computazionale a fotone singolo a 45 km

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