High-speed mid-infrared imaging via nonlinear multiplexed detection
تقدم هذه الورقة نظام تصوير بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة عالي السرعة يحقق معدل إطارات يبلغ 10,000 إطار في الثانية بدقة ميجابكسل، وذلك باستخدام الضخ الهيكلي غير الخطي متعدد الإرسال زمنياً لترميز المشاهد الديناميكية في لقطة واحدة على كاميرا سيليكون، والتي يتم إعادة بنائها حاسوبياً عبر خوارزميات التعرف على التردد.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول تصوير فيديو عالي السرعة لأجنحة طائر الطنان باستخدام كاميرا بطيئة بطبيعتها. في عالم الضوء تحت الأحمر (نوع الضوء الذي يحمل الحرارة والمعلومات الكيميائية)، هذه هي بالضبط المشكلة التي يواجهها العلماء. الكاميرات التقليدية للأشعة تحت الحمراء تشبه الحلزونات؛ فهي بطيئة، ومكلفة، وتجد صعوبة في رؤية الأشياء سريعة الحركة بوضوح، خاصة عندما تريد صورة تحتوي على ملايين التفاصيل الدقيقة (ميجا بكسل).
يقدم هذا البحث حيلة ذكية لجعل الكاميرا البطيئة تعمل كأنها كاميرا فائقة السرعة، وتحديداً لالتقاط مشاهد الحرارة والمواد الكيميائية غير المرئية. إليكم كيف فعلوا ذلك، مشروحاً ببساة:
المشكلة: كاميرا "الحلزون البطيء"
فكر في كاميرا الأشعة تحت الحمراء القياسية كحلزون بطيء يحاول اللحاق بسيارة سباق سريعة. إذا تحركت السيارة بسرعة كبيرة، فلن يرى الحلزون سوى ضباب. لكي يحصل على صورة واضحة، يحتاج الحلزون إلى التقاط الصورة فوراً. لكن مستشعرات الأشعة تحت الحمراء بطيئة بطبيعتها لأنها مصنوعة من مواد خاصة تستغرق وقتاً لقراءة البيانات. وإذا حاولت جعلها أسرع، فإنها عادة ما تفقد قدرتها على رؤية التفاصيل الدقيقة أو تصبح صغيرة جداً بحيث لا تكون مفيدة.
الحل: "المترجم السحري" و"الضوء الومضي"
بنى الباحثون نظاماً يعمل مثل مترجم سحري مدمج مع ضوء ومضي (Strobe Light) عالي السرعة.
- المترجم السحري (التحويل التصاعدي - Upconversion):
بدلاً من محاولة جعل كاميرا الأشعة تحت الحمراء البطيئة أسرع، قرروا تغيير لغة الضوء. لقد أخذوا الضوء تحت الأحمر غير المرئي من المشهد و"ترجموه" إلى ضوء مرئي (النوع الذي تستطيع كاميرات السيليكون، مثل الموجودة في هاتفك، رؤيته).
- كيف؟ استخدموا بلورة خاصة ومضخة ليزر قوية. عندما يصطدم الضوء تحت الأحمر بالبلورة، يحصل على "دفعة" ويتحول إلى ضوء مرئي. هذا يشبه أخذ رسالة مكتوبة بشفرة صعبة وبطيئة وإعادة كتابتها فوراً بلغة تفهمها الكاميرا السريعة تماماً. هذا يسمح لهم باستخدام كاميرا سيليكون قياسية وسريعة وعالية الدقة لرؤية عالم الأشعة تحت الحمراء.
- الضوء الومضي (تعدد الإرسال الزمني - Time-Multiplexing):
الآن بعد أن أصبح لديهم كاميرا سريعة، كانوا لا يزالون بحاجة لالتقاط فيديو (إطارات عديدة متتالية) في الوقت الذي تستغرقه الكاميرا لالتقاط صورة واحدة فقط.
- الحيلة: استخدموا جهازاً يسمى DMD (جهاز المرآة الرقمية) لوميض سلسلة من الأنماط المخططة المختلفة على الضوء قبل أن يصطدم بالبلورة. تخيل تسليط ضوء من خلال سلسلة من القوالب المخططة الملونة المختلفة بسرعة كبيرة.
- النتيجة: تلتقط الكاميرا صورة واحدة فقط، ولكن نظرًا لأن الضوء تم ومضه بأنماط مختلفة في أوقات مختلفة، فإن هذه الصورة الواحدة هي في الواقع "كومة" من عشر لحظات زمنية مختلفة، كلها مختلطة معاً. الأمر يشبه التقاط صورة طويلة التعرض لراقصة، ولكن بدلاً من الضباب، ترى عشر وضعيات مختلفة للراقصة متراكبة فوق بعضها البعض، وكل منها يرتدي قميصاً بلون مختلف.
- السحر الحاسوبي (فك التشفير - Decoding):
بمجرد أن تلتقط الكاميرا هذه الصورة "المتراكمة"، يستخدم الكمبيوتر الرياضيات (تحديداً تحويلات فوريه، وهي طريقة لفرز الترددات) لفصل الطبقات.
- ولأن كل "وضعية" تم التقاطها بنمط مخطط مختلف، فإن الكمبيوتر يعرف بالضبط أي جزء من الصورة ينتمي لأي لحظة زمنية. يقوم بتصفيتها، تماماً مثل فرز مجموعة من أوراق اللعب حسب النوع.
- فجأة، تصبح تلك الصورة الواحدة عشر إطارات منفصلة وواضحة من الفيديو.
الإنجاز
باستخدام هذه الطريقة، تمكن الفريق من رفع سرعة فيديو الأشعة تحت الحمراء بمقدار عشرة أضعاف.
- قبل: كانت كاميرتهم تلتقط 1,000 صورة في الثانية.
- بعد: أصبحوا يلتقطون فعلياً 10,000 صورة في الثانية.
لقد فعلوا ذلك دون فقدان أي جودة للصورة (دقة الميجا بكسل). لقد نجحوا في تصوير عجلة دوارة ذات نمط طائرة، والتقطوا الحركة بوضوح شديد لدرجة أن الضباب اختفى، وكشف عن الطائرة وهي تدور بسرعة.
لماذا هذا مهم (وفقاً للبحث)
يذكر البحث أن هذا أمر بالغ الأهمية لأنه يسمح للعلماء بمراقبة الأحداث السريعة وغير المرئية في الوقت الفعلي. وقد ذكروا أمثلة محددة مثل:
- تشخيص الاحتراق: مراقبة كيفية احتراق النار واختلاطها.
- تفاعلات الانفجار: رؤية الديناميكيات التي تحدث في أجزاء من الثانية أثناء الانفجار.
- تتبع التمثيل الضوئي: مراقبة كيفية معالجة النباتات للضوء.
- المراقبة الحرارية: مراقبة حركة الحرارة بسرعة.
باختصار، لقد وجدوا طريقة لخداع كاميرا الأشعة تحت الحمراء البطيئة لتعمل ككاميرا فائقة السرعة عن طريق ترجمة الضوء واستخدام الكمبيوتر لفك تشابك الصور المتراكمة زمنياً. هذا يفتح الباب لرؤية الأحداث السريعة، والساخنة، والكيميائية التي كان من الصعب سابقاً التقاطها بوضوح.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.