Ultrasensitive infrared-to-visible artificial vision via self-evolving projection guided by single-pixel detection
تقدم هذه الورقة نظام SIVIS، وهو نظام عرض ذاتي التطور موجه بالكشف أحادي البكسل يحقق تحويلاً تصاعدياً من الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي في الوقت الفعلي وبحساسية فائقة مع حساسية الفوتون الواحد، مما يتيح التصور المباشر للعين المجردة للأهداف في ظروف الإضاءة المنخفضة للغاية لتطبيقات تتراوح من الرؤية الليلية إلى التصوير الطبي الحيوي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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
تتمتع العيون البشرية بحساسية مذهلة، ومع ذلك فهي عمياء عن جزء هائل من طيف الضوء الذي يحيط بنا. نحن نرى العالم بألوان مرئية، لكن طيف الأشعة تحت الحمراء، الذي يحمل الحرارة والبصمات الكيميائية، يظل غير مرئي لرؤيتنا الطبيعية. لقد دفع هذا القصور لفترة طويلة نحو تطوير كاميرات يمكنها الرؤية في الظلام أو عبر الدخان، ولكن هذه الأجهزة غالباً ما تأتي مع عيوب كبيرة؛ فالكاميرات التقليدية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء باهظة الثمن، وضخمة، وتتطلب أنظمة تبريد معقدة لتعمل، مما يجعل من الصعب تصغير حجمها لاستخدامها في المعدات المحمولة أو التقنيات القابلة للارتداء. علاوة على ذلك، فإن العديد من الطرق الحالية التي تحاول تحويل الضوء غير المرئي للأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي للعين البشرية تعاني عندما يكون الضوء شحيحاً، إذ غالباً ما تتطلب طاقة ليزر مكثفة لكي تعمل، وهو أمر غير عملي للعينات البيولوجية الدقيقة أو الحالات التي يتوفر فيها عدد ضئيل جداً من الفوتونات فقط.
لقد كان الباحثون يسعون لإيجاد وسيلة لسد هذه الفجوة، بهدف إنشاء نظام يمكنه أخذ أخفت همسات الضوء تحت الأحمر وتحويلها إلى صورة واضحة، دون الحاجة إلى معدات ثقيلة أو ليزرات ساطعة بشكل يعمي الأبصار. ويكمن التحدي في اكتشاف هذه الفوتونات النادرة وترجمتها إلى صورة يمكن للشخص رؤيتها فوراً. وإذا أمكن بناء مثل هذا النظام، فسيسمح بالرؤية الليلية، والتصوير الطبي عبر الأنسجة، والفحوصات الأمنية التي تعتمد على رؤية ما هو مخفي عادةً، كل ذلك مع العمل في ظروف يكاد ينعدم فيها الضوء تماماً.
لقد طور فريق من الباحثين الآن نهجاً جديداً يسمى SIVIS، وهو اختصار لـ "التحويل التصاعدي للأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي ذاتي التطور باستخدام الكشف أحادي البكسل" (Self-evolving Infrared-to-VIsible upconversion with Single-pixel detection). يمثل هذا النظام تحولاً كبيراً في كيفية تحقيق الرؤية بالأشعة تحت الحمراء. فبدلاً من استخدام مستشعر كاميرا قياسي يحتوي على ملايين البكسلات الصغيرة لالتقاط صورة دفعة واحدة، يستخدم SIVIS كاشفاً واحداً شديد الحساسية يعمل بمثابة عين واحدة. هذا الكاشف لا يلتقط صورة مباشرة، بل "يستمع" إلى الضوء المرتد عن الجسم أو النافذ من خلاله بينما يقوم مرآة يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر بومض أنماط مختلفة من الضوء بسرعة على ذلك الجسم. تم تصميم النظام ليكون ذاتي التصحيح؛ حيث يبدأ بنمط عشوائي من الضوء، ثم يتحقق من كمية الأشعة تحت الحمراء التي يلتقطها الكاشف الواحد، ومن ثم يستخدم هذه المعلومات لتعديل النمط التالي. ومع مرور الوقت، تتطور أنماط الضوء لتصبح أكثر تركيزاً على شكل الجسم، تماماً مثل النحات الذي ينحت في الحجر حتى يبرز الشكل.
إن عبقرية هذه الطريقة تكمن في أنها تعمل في الوقت الفعلي ولا تتطلب أي ضوء تقريباً لكي تعمل. وقد أظهر الباحثون أن نظامهم يمكنه اكتشاف وتصور الأجسام حتى عندما يكون الضوء تحت الأحمر خافتاً لدرجة أنه، في المتوسط، يصطدم أقل من فوتون واحد بكل جزء من الجسم خلال لحظة مراقبة واحدة. ولتوضيح ذلك، يعمل النظام عند مستوى طاقة أقل بنحو مائة مليون مرة مما تتطلبه العديد من تقنيات الأشعة تحت الحمراء المتقدمة الأخرى. وبينما تتطور أنماط الضوء لتطابق شكل الجسم، يقوم النظام في الوقت نفسه بإسقاط نمط مقابل من الضوء الأخضر المرئي. وهذا يعني أنه بينما يتم إعادة بناء صورة الأشعة تحت الحمراء غير المرئية بواسطة الكمبيوتر، يتم رسم نسخة مرئية من نفس تلك الصورة على شاشة أو على الجسم نفسه، مما يسمح للشخص برؤية النتيجة بأم عينه دون أي تأخير.
اختبر الفريق هذه التكنولوجيا في سيناريوهات مختلفة لإثبات تعدد استخداماتها. فقد أظهروا قدرتها على التقاط صور واضحة لأجسام ثابتة، مثل شكل مقصوص، وتتبع الأجسام المتحركة أثناء مرورها في مجال الرؤية. عمل النظام بكفاءة متساوية في كل من حالة "النفاذ"، حيث يمر الضوء عبر الجسم، وحالة "الانعكاس"، حيث يرتد الضوء عن السطح. وفي عرض مثير للاهتمام، استخدم الباحثون النظام للكشف عن ميزات أمنية مطبوعة بحبر خاص غير مرئي للعين البشرية تحت الضوء العادي. ومن خلال إسقاط الأنماط المرئية، ظهرت النصوص والأشكال المخفية فوراً على السح، مما أدى فعلياً إلى فك تشفير المعلومات غير المرئية.
ولعل التطبيق الأكثر واعدية الذي أظهرته الدراسة يتعلق بالنظر عبر العوائق. فقد استخدم الباحثون النظام لتصور هياكل تشبه الأوردة مخفية تحت طبقة من الجلد الاصطناعي وحتى من خلال قطعة من أنسجة الدجاج الخام. ولأن الأشعة تحت الحمراء يمكنها اختراق الأنسجة البيولوجية بشكل أفضل من الضوء المرئي، تمكن النظام من اكتشاف الهياكل المخفية وإسقاط خريطة مرئية لها على شاشة. وهذا يشير إلى أن هذه التكنولوجيا قد تساعد الأطباء يوماً ما في رؤية الأوعية الدموية أو الميزات الداخلية الأخرى دون إجراءات جراحية، ببساطة عن طريق تحويل إشارات الأشعة تحت الحمراء التي تمر عبر الجسم إلى صورة مرئية.
يعتمد نجاح SIVIS على قدرته على أن يكون فعالاً للغاية في استخدام الضوء الذي يستخدمه. فمن خلال استخدام كاشف أحادي البكسل حساس بما يكفي لعد الفوتونات الفردية، يتجنب النظام الضجيج وعدم الكفاءة التي تعاني منها الكاميرات التقليدية في ظروف الإضاءة المنخفضة. ووجد الباحثون أنه حتى عندما كان الضوء خافتاً جداً لدرجة أن الكاشف بالكاد يسجل أي شيء، استطاع النظام بناء صورة واضحة للهدف ببطء. تفتح هذه القدرة الباب أمام جيل جديد من أدوات التصوير المدمجة، وبأسعار معقولة، والقادرة على الرؤية في الظلام الدامس. وبينما يستغرق النظام الحالي جزءاً من الثانية لتطوير الصورة من نمط عشوائي إلى شكل واضح، يشير الباحثون إلى أن التحسينات المستقبلية في الخوارزميات يمكن أن تجعل هذه العملية أسرع. في الوقت الحالي، يثبت هذا العمل أنه من الممكن تحويل أضعف إشارات الأشعة تحت الحمراء إلى واقع مرئي ساطع، مما يقدم أداة قوية لرؤية العالم غير المرئي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.