Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level

تخيل أنك تحاول التقاط صورة لجسم سري مخبأ في ظلام دامس، لكن ليس لديك سوى عين واحدة صغيرة يمكنها رؤية نقطة ضوء واحدة في كل مرة. عادةً، لالتقاط صورة، تحتاج إلى كاميرا تحتوي على ملايين العيون الصغيرة (البكسلات) التي تعمل معاً. ولكن في عالم "الأشعة تحت الحمراء المتوسطة" — وهو نوع الضوء المستخدم لرؤية الحرارة أو المواد الكيميائية أو العيوب المخفية في الآلات — يصبح صنع كاميرات تحتوي على ملايين العيون أمراً باهظ الثمن، وهشاً، وغالباً ما يتطلب تجميدها لدرجات حرارة قريبة من الصفر المطلق لكي تعمل.

تقدم هذه الورقة البحثية حلاً ذكياً: "كاميرا البكسل الواحد"، وهي كاميرا يمكنها الرؤية في الظلام باستخدام "فوتون" واحد فقط (أصغر حزمة ممكنة من الضوء) في كل مرة.

إليك كيف فعلوا ذلك، مقسماً بتبسيط عبر التشبيهات:

1. المشكلة: كاميرا الأشعة تحت الحمراء "العمياء"

الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة رائع لرؤية أشياء مثل تسرب الغاز أو الأنسجة البيولوجية دون إلحاق الضرر بها. ولكن الكاميرات القياسية لهذا الضوء تشبه المنحوتات الجليدية الثمينة والهشة التي تحتاج للبقاء في مجمد (فريزر). كما أنها سيئة في رؤية الضوء الخافت جداً؛ فإذا حاولت التقاط صورة بعدد قليل جداً من الفوتونات، تتحول الصورة عادةً إلى ضجيج مشوش (Static noise).

2. الحل: "المترجم" و"خيال الظل"

قام الباحثون ببناء نظام يعمل كمترجم وعرض لخيال الظل في آن واحد.

• المترجم (التحويل التصاعدي - Upconversion): لم يتمكنوا من استخدام كاشف أشعة تحت حمراء قياسي لأنه لم يكن حساساً بما يكفي. بدلاً من ذلك، استخدموا بلورة خاصة (قطعة من نيوبات الليثيوم) تعمل كمترجم سحري. عندما يصطدم ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة غير المرئي بهذه البلورة، تقوم البلورة بـ "ترجمة" هذا الضوء إلى ضوء مرئي (النوع الذي تستطيع عيوننا أو كاميرات السيليكون القياسية رؤيته).

  • تشبيه: تخيل أنك تحاول سماع همس بلغة لا تتحدثها. بدلاً من إجهاد أذنيك، لديك مترجم يحول ذلك الهمس فوراً إلى صرخة عالية وواضحة بلغتك الخاصة. الآن، يمكن لميكروفون بسيط (كاشف سيليكون) سماعه بوضوح تام.

• خيال الظل (الكشف المهيكل - Structured Detection): بما أن لديهم "عيناً" واحدة فقط (كاشف واحد)، فلا يمكنهم رؤية الصورة بأكملها دفعة واحدة. لذا، يستخدمون جهاز مرآة رقمي (مثل جهاز عرض عالي التقنية) لتسليط نمط من الضوء على الجسم.

  • تشبيه: تخيل أنك في غرفة مظلمة مع تمثال. لا يمكنك رؤية التمثال، لكن لديك كشاف ضوئي يمكنه عرض أشكال مختلفة (مربعات، خطوط، حروف) على التمثال. تسلط نمط "المربع"، وتقيس كمية الضوء المرتد. ثم تسلط نمط "الخطوط" وتقيس مرة أخرى. من خلال دمج ومطابقة آلاف هذه الأنماط، يمكن للكمبيوتر إعادة بناء شكل التمثال رياضياً، حتى لو لم ترَ عينك الشيء بأكمله في وقت واحد.

3. الخدعة السحرية: القيام بذلك بضوء شبه معدوم

الاختراق الحقيقي هنا هو أنهم تمكنوا من فعل ذلك بـ ضوء خافت للغاية — وصولاً إلى نصف فوتون لكل نبضة فقط.

• عادةً، إذا كان لديك أقل من فوتون واحد، فلا يمكنك التقاط صورة. ولكن لأنهم استخدموا "المترجم" (البلورة) لتحويل الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي، تمكنوا من استخدام كاشف سيليكون فائق الحساسية يقوم بعدّ الفوتونات الفردية.
• كما قاموا بمزامنة نبضات الضوء الخاصة بهم بشكل مثالي (مثل طبالين يضربان طبولهما في نفس الميلي ثانية تماماً) لتصفية الضوضاء الخلفية. سمح لهم ذلك برؤية الإشارة حتى عندما كانت "الغرفة" مظلمة تماماً تقرياً.

4. النتيجة: رؤية غير المرئي

لقد اختبروا ذلك عبر التقاط صور لصفحة معدنية بها حروف مقصوصة.

• السرعة: تمكنوا من التقاط صورة بدقة 16×16 بكسل بمعدل 10 مرات في الثانية (فيديو في الوقت الفعلي).
• الحساسية: نجحوا في إعادة بناء صور واضحة حتى عندما كان مصدر الضوء ضعيفاً جداً لدرجة أنه، في المتوسط، يصطدم بالشيء أقل من فوتون واحد لكل نمط عرضوه.
• الرياضيات: عندما لم يكن لديهم ضوء كافٍ أو وقت كافٍ لإجراء جميع القياسات، استخدموا خوارزميات حاسوبية متقدمة (مثل محرر صور ذكي) لملء الأجزاء المفقودة، مما سمح لهم بالتقاط عدد أقل من الصور ومع ذلك الحصول على صورة واضحة.

الملخص

باختập، بنى المؤلفون كاميرا لا تحتاج إلى ملايين البكسلات أو إلى مجمد. بدلاً من ذلك، يستخدمون مستشعراً واحداً، وبلورة ترجمة سحرية، وجهاز عرض أنماط لإعادة بناء صور ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة غير المرئي. يعمل النظام بشكل جيد لدرجة أنه يمكنه رؤية الأجسام باستخدام ضوء ضئيل جداً، مما يفتح الباب لرؤية الأشياء في طيف الأشعة تحت الحمراء ببساطة وحساسية كانت مستحيلة سابقاً.