Ultrasensitive infrared-to-visible artificial vision via self-evolving projection guided by single-pixel detection
यह शोध पत्र SIVIS प्रस्तुत करता है, जो सिंगल-पिक्सेल डिटेक्शन द्वारा निर्देशित एक स्व-विकसित प्रोजेक्शन सिस्टम है जो सिंगल-फोटॉन संवेदनशीलता के साथ रियल-टाइम, अल्ट्रासेंसिटिव इन्फ्रारेड-टू-विज़िबल अपकंवर्जन प्राप्त करता है, जिससे नाइट विज़न से लेकर बायोमेडिकल इमेजिंग तक के अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक कम रोशनी की स्थितियों में लक्ष्यों का सीधे नग्न आंखों से दृश्यीकरण संभव हो पाता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मानव आँखें उल्लेखनीय रूप से संवेदनशील होती हैं, फिर भी वे उस प्रकाश स्पेक्ट्रम के एक विशाल हिस्से के प्रति अंधी हैं जो हमारे चारों ओर मौजूद है। हम दृश्य रंगों में दुनिया को देखते हैं, लेकिन इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम, जो ऊष्मा और रासायनिक संकेतों को वहन करता है, हमारी प्राकृतिक दृष्टि के लिए अदृश्य बना रहता है। इस सीमा ने लंबे समय से उन कैमरों के विकास को प्रेरित किया है जो अंधेरे में या धुएं के माध्यम से देख सकते हैं, लेकिन इन उपकरणों के साथ अक्सर महत्वपूर्ण कमियां आती हैं। पारंपरिक इन्फ्रारेड कैमरे महंगे, भारी होते हैं और उन्हें कार्य करने के लिए जटिल शीतलन प्रणालियों (cooling systems) की आवश्यकता होती है, जिससे उन्हें पोर्टेबल गियर या पहनने योग्य तकनीक (wearable technology) के लिए छोटा करना कठिन हो जाता है। इसके अलावा, अदृश्य इन्फ्रारेड प्रकाश को मानव आँख के लिए दृश्य प्रकाश में बदलने का प्रयास करने वाली कई मौजूदा विधियाँ तब संघर्ष करती हैं जब प्रकाश की कमी होती है। वे अक्सर काम करने के लिए तीव्र लेजर शक्ति की मांग करती हैं, जो नाजुक जैविक नमूनों या ऐसी स्थितियों के लिए अव्यवहारिक है जहाँ केवल कुछ ही फोटॉन उपलब्ध होते हैं।
शोधकर्ता इस अंतर को पाटने का एक तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जिसका लक्ष्य एक ऐसा सिस्टम बनाना है जो इन्फ्रारेड प्रकाश की सबसे हल्की फुसफुसाहट को ले सके और उसे एक स्पष्ट, दृश्य छवि में बदल सके, जिसके लिए भारी उपकरणों या अंधा कर देने वाली चमकीली लेजर की आवश्यकता न हो। चुनौती इन दुर्लभ फोटॉनों का पता लगाने और उन्हें एक ऐसी तस्वीर में अनुवादित करने में निहित है जिसे व्यक्ति तुरंत देख सके। यदि ऐसा सिस्टम बनाया जा सके, तो यह नाइट विजन, ऊतकों (tissue) के माध्यम से मेडिकल इमेजिंग और सुरक्षा जांच की अनुमति देगा जो उन चीजों को देखने पर निर्भर करती है जो सामान्यतः छिपी रहती हैं, और यह सब उन स्थितियों में भी काम करेगा जहाँ प्रकाश लगभग अस्तित्वहीन है।
शोधकर्ताओं ने अब एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है जिसे SIVIS कहा जाता है, जिसका अर्थ है 'सेल्फ-इवॉल्विंग इन्फ्रारेड-टू-विज़िबल अपकन्वर्जन विद सिंगल-पिक्सेल डिटेक्शन' (Self-evolving Infrared-to-VIsible upconversion with Single-pixel detection)। यह सिस्टम इस तरह से इन्फ्रारेड विजन प्राप्त करने के तरीके में एक महत्वपूर्ण बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। एक मानक कैमरा सेंसर का उपयोग करने के बजाय जिसमें एक साथ एक छवि कैप्चर करने के लिए लाखों छोटे पिक्सेल होते हैं, SIVIS एक एकल, अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टर का उपयोग करता है जो एक एकल आंख की तरह कार्य करता है। यह डिटेक्टर सीधे तस्वीर नहीं लेता है। इसके बजाय, यह उस प्रकाश को सुनता है जो किसी वस्तु से टकराकर वापस आता है या उसके माध्यम से गुजरता है, जबकि एक कंप्यूटर-नियंत्रित दर्पण तेजी से प्रकाश के विभिन्न पैटर्न को उस वस्तु पर डालता है। सिस्टम को 'स्व-सुधार' (self-correcting) करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह प्रकाश के एक यादृच्छिक (random) पैटर्न के साथ शुरू होता है, यह जांचता है कि एकल डिटेक्टर कितना इन्फ्रारेड प्रकाश पकड़ता है, और फिर उस जानकारी का उपयोग अगले पैटर्न को समायोजित करने के लिए करता है। समय के साथ, प्रकाश के पैटर्न विकसित होते हैं, और वस्तु के आकार पर अधिक केंद्रित होते जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक मूर्तिकार पत्थर को तब तक तराशता है जब तक कि रूप उभर न आए।
इस पद्धति की विशिष्टता यह है कि यह वास्तविक समय (real-time) में काम करती है और इसे काम करने के लिए लगभग किसी प्रकाश की आवश्यकता नहीं होती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उनका सिस्टम तब भी वस्तुओं का पता लगा सकता है और उन्हें विज़ुअलाइज़ कर सकता है जब इन्फ्रारेड प्रकाश इतना मंद हो कि औसत रूप से एक एकल अवलोकन के दौरान वस्तु के प्रत्येक भाग पर एक से भी कम फोटॉन टकराता हो। इसे समझने के लिए, यह सिस्टम उस पावर लेवल पर काम करता है जो अन्य उन्नत इन्फ्रारेड तकनीकों की तुलना में लगभग एक करोड़ गुना कम है। जैसे-जैसे प्रकाश के पैटर्न वस्तु के आकार से मेल खाने के लिए विकसित होते हैं, सिस्टम साथ ही साथ दृश्य हरे प्रकाश का एक अनुरूप पैटर्न भी प्रोजेक्ट करता है। इसका मतलब है कि जैसे ही कंप्यूटर द्वारा अदृश्य इन्फ्रारेड छवि का पुनर्निर्माण किया जा रहा है, उसी छवि का एक दृश्य संस्करण स्क्रीन या वस्तु पर चित्रित किया जा रहा है, जिससे एक व्यक्ति बिना किसी देरी के अपनी नग्न आंखों से परिणाम देख सकता है।
टीम ने इस तकनीक की बहुमुखी प्रतिभा को साबित करने के लिए कई अलग-अलग परिदृश्यों में इसका परीक्षण किया। उन्होंने दिखाया कि यह स्थिर वस्तुओं, जैसे कि एक कटआउट आकार, को कैप्चर कर सकता है और दृश्य क्षेत्र (field of view) से गुजरने वाली चलती हुई वस्तुओं को ट्रैक कर सकता है। यह सिस्टम ट्रांसमिशन (जहाँ प्रकाश एक वस्तु से होकर गुजरता है) और रिफ्लेक्शन (जहाँ प्रकाश सतह से टकराकर वापस आता है) दोनों में समान रूप से प्रभावी ढंग से काम करता है। एक प्रभावशाली प्रदर्शन में, शोधकर्ताओं ने सिस्टम का उपयोग करके उन सुरक्षा फीचर्स को उजागर किया जो विशेष स्याही के साथ छपे हुए थे जो सामान्य प्रकाश में मानव आंखों के लिए अदृश्य हैं। दृश्य पैटर्न को प्रोजेक्ट करके, छिपा हुआ टेक्स्ट और आकार सतह पर तुरंत दिखाई दिए, प्रभावी रूप से अदृश्य जानकारी को डिक्रिप्ट कर दिया।
इस अध्ययन में दिखाया गया शायद सबसे आशाजनक अनुप्रयोग बाधाओं के माध्यम से देखना है। शोधकर्ताओं ने कृत्रिम त्वचा की एक परत और यहाँ तक कि कच्चे चिकन टिश्यू के माध्यम से भी शिरा-नुमा (vein-like) संरचनाओं को विज़ुअलाइज़ करने के लिए सिस्टम का उपयोग किया। क्योंकि इन्फ्रारेड प्रकाश दृश्य प्रकाश की तुलना में जैविक ऊतकों के माध्यम से बेहतर प्रवेश कर सकता है, इसलिए सिस्टम छिपी हुई संरचनाओं का पता लगाने और उनका एक दृश्य मानचित्र स्क्रीन पर प्रोजेक्ट करने में सक्षम था। यह सुझाव देता है कि यह तकनीक एक दिन डॉक्टरों को आक्रामक प्रक्रियाओं के बिना रक्त वाहिकाओं या अन्य आंतरिक विशेषताओं को देखने में मदद कर सकती है, बस शरीर से गुजरने वाले इन्फ्रारेड संकेतों को एक दृश्य छवि में बदलकर।
SIVIS की सफलता इसके द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रकाश के साथ अविश्वसनीय रूप से कुशल होने की क्षमता पर निर्भर करती है। एक सिंगल-पिक्सेल डिटेक्टर का उपयोग करके जो व्यक्तिगत फोटॉनों को गिनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है, यह सिस्टम उस शोर (noise) और अक्षमता से बचता है जो कम रोशनी की स्थितियों में पारंपरिक कैमरों को प्रभावित करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि भले ही प्रकाश इतना मंद था कि डिटेक्टर मुश्किल से कुछ दर्ज कर पा रहा था, फिर भी सिस्टम लक्ष्य की एक स्पष्ट तस्वीर धीरे-धीरे बना सकता था। यह क्षमता नए पीढ़ी के इमेजिंग टूल के द्वार खोलती है जो कॉम्पैक्ट, किफायती और गहरे अंधेरे में देखने में सक्षम हैं। हालांकि वर्तमान सिस्टम को एक यादृच्छिक पैटर्न से एक स्पष्ट आकार तक विकसित होने में एक सेकंड का अंश लगता है, शोधकर्ता नोट करते हैं कि एल्गोरिदम में भविष्य के सुधार इस प्रक्रिया को और भी तेज़ बना सकते हैं। फिलहाल, यह कार्य सिद्ध करता है कि सबसे मंद इन्फ्रारेड संकेतों को एक उज्ज्वल, दृश्य वास्तविकता में बदलना संभव है, जो अदृश्य दुनिया को देखने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है।
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