Una nueva cámara puede fotografiarte a 45 kilómetros de distancia

Imágenes de papel Imágenes 3D computacionales de fotón único a 45 km

La fotografía de larga distancia en la Tierra es un desafío complicado. Captar suficiente luz de un sujeto a grandes distancias no es fácil. E incluso entonces, la atmósfera introduce distorsiones que pueden estropear la imagen; también lo hace la contaminación, que es un problema particular en las ciudades. Eso hace que sea difícil obtener cualquier tipo de imagen más allá de una distancia de unos pocos kilómetros (suponiendo que la cámara esté montada lo suficientemente alta del suelo para hacer frente a la curvatura de la Tierra).

Pero en los últimos años, los investigadores han comenzado a explotar fotodetectores sensibles para hacerlo mucho mejor. Estos detectores son tan sensibles que pueden captar fotones individuales y usarlos para unir imágenes de sujetos a una distancia de hasta 10 kilómetros (seis millas).

Sin embargo, a los físicos les encantaría mejorar aún más. Y hoy, Zheng-Ping Li y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Shanghai muestran cómo fotografiar sujetos a una distancia de hasta 45 km (28 millas) en un entorno urbano plagado de smog. Su técnica utiliza detectores de un solo fotón combinados con un algoritmo de imagen computacional único que logra imágenes de súper alta resolución al unir los puntos de datos más dispersos.

La nueva técnica es relativamente sencilla en principio. Se basa en el rango y la detección láser, o lidar, que ilumina al sujeto con luz láser y luego crea una imagen a partir de la luz reflejada.

La gran ventaja de este tipo de imagen activa es que los fotones reflejados por el sujeto regresan al detector dentro de una ventana de tiempo específica que depende de la distancia. Por lo tanto, cualquier fotón que llegue fuera de esta ventana puede ignorarse.

Esta puerta reduce drásticamente el ruido creado por los fotones no deseados de otras partes del entorno. Y permite que los sistemas lidar sean altamente sensibles y específicos de distancia.

Para hacer que el nuevo sistema sea aún mejor en entornos urbanos, Zheng-Ping y compañía utilizan un láser infrarrojo con una longitud de onda de 1550 nanómetros, una tasa de repetición de 100 kilohercios y una potencia modesta de 120 milivatios. Esta longitud de onda hace que el sistema sea seguro para los ojos y permite que el equipo filtre los fotones solares que, de lo contrario, abrumarían al detector.

Los investigadores envían y reciben estos fotones a través del mismo aparato óptico: un telescopio astronómico ordinario con una apertura de 280 mm. Los fotones reflejados luego son detectados por un detector comercial de fotones individuales. Para crear una imagen, los investigadores escanean el campo de visión utilizando un espejo piezoeléctrico que puede inclinarse hacia arriba, hacia abajo y de lado a lado.

De esta manera, pueden crear imágenes bidimensionales. Pero al cambiar los tiempos de activación, pueden captar fotones reflejados desde diferentes distancias para construir una imagen 3D.

El avance final que ha hecho el equipo es desarrollar un algoritmo que une una imagen utilizando los datos de un solo fotón. Este tipo de imagen computacional ha avanzado a pasos agigantados en los últimos años, lo que permite a los investigadores crear imágenes a partir de conjuntos de datos relativamente pequeños.

los resultados hablan por si mismos. El equipo instaló la nueva cámara en el piso 20 de un edificio en la isla de Chongming en Shanghái y apuntó al edificio de aviación civil de Pudong al otro lado del río, a unos 45 km de distancia.

Las imágenes convencionales tomadas a través del telescopio no muestran nada más que ruido. Pero la nueva técnica produce imágenes con una resolución espacial de unos 60 cm, que resuelve la construcción de ventanas. Este resultado demuestra la capacidad superior del sistema LiDAR de un solo fotón en el infrarrojo cercano para resolver objetivos a través del smog, dice el equipo.

Eso también es significativamente mejor que el límite de difracción convencional de 1 metro a 45 km, y ciertamente mejor que otros algoritmos desarrollados recientemente. La imagen aquí muestra el potencial de la técnica en imágenes tomadas a la luz del día desde una distancia de 21 km. Nuestros resultados abren un nuevo camino para la obtención de imágenes ópticas 3D de alta resolución, rápidas y de baja potencia en rangos ultralargos, dicen Zheng-Ping y compañía.

Es un trabajo interesante que tiene una amplia gama de aplicaciones. El equipo menciona la detección remota, la vigilancia aérea y el reconocimiento e identificación de objetivos. De hecho, todo el dispositivo tiene aproximadamente el tamaño de una caja de zapatos grande y, por lo tanto, es relativamente portátil.

Y Zheng-Ping y compañía dicen que se puede mejorar significativamente. Nuestro sistema es factible para obtener imágenes a unos pocos cientos de kilómetros al refinar la configuración y, por lo tanto, representa un hito significativo hacia LiDAR rápido, de baja potencia y alta resolución en rangos extralargos, dicen.

Así que sigue sonriendo, pueden estar mirando.

Ref: arxiv.org/abs/1904.10341 : Imagen computacional 3D de fotón único a 45 km

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