Ultrasensitive infrared-to-visible artificial vision via self-evolving projection guided by single-pixel detection
Questo articolo presenta SIVIS, un sistema di proiezione auto-evolutivo guidato dal rilevamento a singolo pixel che raggiunge una conversione verso l'alto da infrarosso a visibile in tempo reale e ultrasensibile con sensibilità al singolo fotone, consentendo la visualizzazione diretta a occhio nudo di bersagli in condizioni di luce estremamente scarsa per applicazioni che spaziano dalla visione notturna all'imaging biomedico.
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Gli occhi umani sono straordinariamente sensibili, eppure sono ciechi a una vasta porzione dello spettro luminoso che ci circonda. Vediamo il mondo in colori visibili, ma lo spettro infrarosso, che trasporta calore e firme chimiche, rimane invisibile alla nostra visione naturale. Questa limitazione ha a lungo guidato lo sviluppo di telecamere in grado di vedere nel buio o attraverso il fumo, ma questi dispositivi presentano spesso svantaggi significativi. Le telecamere a infrarossi tradizionali sono costose, ingombranti e richiedono complessi sistemi di raffreddamento per funzionare, rendendo difficile la loro riduzione di dimensioni per l'uso in attrezzature portatili o tecnologie indossabili. Inoltre, molti metodi esistenti che tentano di convertire la luce infrarossa invisibile in luce visibile per l'occhio umano faticano quando la luce è scarsa. Spesso richiedono un'intensa potenza laser per funzionare, il che è poco pratico per campioni biologici delicati o situazioni in cui è disponibile solo una manciata di fotoni.
I ricercatori hanno cercato un modo per colmare questo divario, con l'obiettivo di creare un sistema in grado di prendere i deboli sussurri della luce infrarossa e trasformarli in un'immagine chiara, senza la necessità di apparecchiature pesanti o laser accecanti. La sfida consiste nel rilevare questi rari fotoni e tradurli in un'immagine che una persona possa vedere istantaneamente. Se un tale sistema potesse essere costruito, permetterebbe la visione notturna, l'imaging medico attraverso i tessuti e i controlli di sicurezza che si basano sul vedere ciò che è normalmente nascosto, il tutto operando in condizioni in cui la luce è quasi inesistente.
Un team di ricercatori ha ora sviluppato un nuovo approccio chiamato SIVIS, che sta per Self-evolving Infrared-to-VIsible upconversion with Single-pixel detection (conversione verso l'alto da infrarosso a visibile auto-evolutiva con rilevamento a singolo pixel). Questo sistema rappresenta un cambiamento significativo nel modo in cui viene ottenuta la visione a infrarossi. Invece di utilizzare un normale sensore di telecamera con milioni di minuscoli pixel per catturare un'immagine tutta in una volta, SIVIS utilizza un singolo rilevatore altamente sensibile che agisce come un unico occhio. Questo rilevatore non scatta una foto direttamente. Invece, "ascolta" la luce che rimbalza su un oggetto o che lo attraversa mentre uno specchio controllato da un computer proietta rapidamente diversi modelli di luce sull'oggetto stesso. Il sistema è progettato per essere auto-correttivo. Inizia con un modello di luce casuale, controlla quanta luce infrarossa il singolo rilevatore percepisce e poi usa questa informazione per regolare il modello successivo. Nel tempo, i modelli di luce evolvono, diventando sempre più concentrati sulla forma dell'oggetto, proprio come uno scultore che assottiglia la pietra finché la forma non emerge.
La genialità di questo metodo risiede nel fatto che funziona in tempo reale e richiede quasi nessuna luce per funzionare. I ricercatori hanno dimostrato che il loro sistema può rilevare e visualizzare oggetti anche quando la luce infrarossa è così debole che, in media, meno di un fotone colpisce ogni parte dell'oggetto durante un singolo momento di osservazione. Per mettere questo in prospettiva, il sistema opera a un livello di potenza circa cento milioni di volte inferiore rispetto a quello richiesto da molte altre tecnologie avanzate a infrarossi. Mentre i modelli di luce evolvono per adattarsi alla forma dell'oggetto, il sistema proietta simultaneamente un corrispondente modello di luce verde visibile. Ciò significa che, mentre l'immagine infrarossa invisibile viene ricostruita dal computer, una versione visibile della stessa immagine viene dipinta su uno schermo o sull'oggetto stesso, permettendo a una persona di vedere il risultato a occhio nudo senza alcun ritardo.
Il team ha testato questa tecnologia in diversi scenari per dimostrarne la versatilità. Hanno dimostrato che può catturare immagini chiare di oggetti statici, come una sagoma ritagliata, e tracciare oggetti in movimento mentre passano nel campo visivo. Il sistema funziona ugualmente bene in trasmissione, dove la luce attraversa un oggetto, e in riflessione, dove la luce rimbalza su una superficie. In una dimostrazione particolarmente sorprendente, i ricercati hanno utilizzato il sistema per rivelare caratteristiche di sicurezza nascoste stampate con inchiostri speciali, invisibili all'occhio umano sotto luce normale. Proiettando i modelli visibili, il testo e le forme nascoste apparivano istantaneamente sulla superficie, decriptando efficacementamente le informazioni invisibili.
Forse l'applicazione più promettente mostrata nello studio riguarda la visione attraverso gli ostacoli. I ricercatori hanno utilizzato il sistema per visualizzare strutture simili a vene nascoste sotto uno strato di pelle artificiale e persino attraverso un pezzo di tessuto di pollo crudo. Poiché la luce infrarossa può penetrare il tessuto biologico meglio della luce visibile, il sistema è stato in grado di rilevare le strutture nascoste e proiettare una mappa visibile di esse su uno schermo. Ciò suggerisce che la tecnologia potrebbe un giorno aiutare i medici a vedere i vasi sanguigni o altre caratteristiche interne senza procedure invasive, semplicemente convertendo i segnali infrarossi che attraversano il corpo in un'immagine visibile.
Il successo di SIVIS risiede nella sua capacità di essere incredibilmente efficiente con la luce che utilizza. Utilizzando un rilevatore a singolo pixel sufficientemente sensibile da contare i singoli fotoni, il sistema evita il rumore e l'inefficienza che affliggono le telecamere tradizionali in condizioni di scarsa illuminazione. I ricercatori hanno scoperto che anche quando la luce era così fioca che il rilevatore registrava a malapena qualcosa, il sistema era comunque in grado di costruire lentamente un'immagine nitida del bersaglio. Questa capacità apre la porta a una nuova generazione di strumenti di imaging compatti, accessibili e capaci di vedere nel buio più profondo. Sebbene l'attuale sistema impieghi una frazione di secondo per far evolvere l'immagine da un modello casuale a una forma definita, i ricercatori osservano che i futuri miglioramenti negli algoritmi potrebbero rendere questo processo ancora più veloce. Per ora, questo lavoro dimostra che è possibile trasformare i segnali infrarossi più deboli in una luminosa realtà visibile, offrendo un potente nuovo strumento per vedere il mondo invisibile.
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