Ultrasensitive infrared-to-visible artificial vision via self-evolving projection guided by single-pixel detection
Dit artikel presenteert SIVIS, een zelf evoluerend projectiesysteem geleid door single-pixel detectie dat real-time, ultra-gevoelige infrarood-naar-zichtbaar upconversion bereikt met single-foton gevoeligheid, wat directe visualisatie met het blote oog van doelwitten mogelijk maakt in extreme omstandigheden met weinig licht voor toepassingen variërend van nachtzicht tot biomedische beeldvorming.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Menselijke ogen zijn opmerkelijk gevoelig, maar ze zijn blind voor een groot deel van het lichtspectrum dat ons omringt. We zien de wereld in zichtbare kleuren, maar het infrarode spectrum, dat warmte en chemische signaturen met zich meebrengt, blijft onzichtbaar voor ons natuurlijke gezichtsvermogen. Deze beperking heeft lang gedreven tot de ontwikkeling van camera's die in het donker of door rook kunnen kijken, maar deze apparaten gaan vaak gepaard met aanzienlijke nadelen. Traditionele infraroodcamera's zijn duur, lomp en vereisen complexe koelsystemen om te functioneren, wat het moeilijk maakt om ze te verkleinen voor gebruik in draagbare apparatuur of draagbare technologie. Bovendien worstelen veel bestaande methoden die proberen onzichtbaar infrarood licht om te zetten in zichtbaar licht voor het menselijk oog, wanneer het licht schaars is. Ze vereisen vaak intense laserenergie om te werken, wat onpraktisch is voor delicate biologische monsters of situaties waarin slechts een handvol fotonen beschikbaar is.
Onderzoekers hebben gezocht naar een manier om deze kloof te overbruggen, met als doel een systeem te creëren dat de zwakste fluisteringen van infrarood licht kan nemen en deze kan omzetten in een duidelijk, zichtbaar beeld zonder de noodzaak van zware apparatuur of verblindend heldere lasers. De uitdaging ligt in het detecteren van deze schaarse fotonen en het vertalen daarvan naar een beeld dat een persoon direct kan zien. Als een dergelijk systeem gebouwd zou kunnen worden, zou het nachtzicht, medische beeldvorming door weefsel en beveiligingscontroles die vertrouwen op het zien van wat normaal gesproken verborgen blijft, mogelijk maken, terwijl het opereert in omstandigheden waar bijna geen licht aanwezig is.
Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe aanpak ontwikkend genaamd SIVIS, wat staat voor Self-evolving Infrared-to-VIsible upconversion with Single-pixel detection. Dit systeem vertegenwoordigt een significante verschuiving in hoe infrarood visie wordt bereikt. In plaats van een standaard cameragevoel met miljoenen kleine pixels om in één keer een beeld vast te leggen, gebruikt SIVIS een enkele, zeer gevoelige detector die fungeert als een enkel oog. Deze detector maakt geen foto rechtstreeks. In plaats daarvan luistert de detector naar het licht dat van een object weerkaatst of erdoorheen gaat, terwijl een computergestuurde spiegel snel verschillende lichtpatronen op dat object projecteert. Het systeem is ontworpen om zelfcorrigerend te zijn. Het begint met een willekeurig lichtpatroon, controleert hoeveel infrarood licht de enkele detector oppikt, en gebruikt die informatie vervolgens om het volgende lichtpatroon aan te passen. In de loop van de tijd evolueren de patronen van licht en worden ze steeds meer gefocust op de vorm van het object, net zoals een beeldhouwer steen wegkapt tot de vorm tevoorschijn komt.
De genialiteit van deze methode is dat het in realtime werkt en bijna geen licht nodig heeft om te functioneren. De onderzoekers hebben aangetoond dat hun systeem objecten kan detecteren en visualiseren, zelfs wanneer het infrarood licht zo zwak is dat er gemiddeld minder dan één foton op elk deel van het object valt tijdens een enkel moment van observatie. Om dit in perspectief te plaatsen: het systeem werkt op een vermogensniveau dat ongeveer honderd miljoen keer lager is dan wat veel andere geavanceerde infraroodtechnologieën vereisen. Terwijl de lichtpatronen evolueren om overeen te komen met de vorm van het object, projecteert het systeem gelijktijdig een overeenkomstig patroon van zichtbaar groen licht. Dit betekent dat terwijl het onzichtbare infraroodbeeld door de computer wordt gereconstrueerd, een zichtbare versie van datzelfde beeld op een scherm of op het object zelf wordt geschilderd, waardoor een persoon het resultaat met het blote oog kan zien zonder enige vertraging.
Het team heeft deze technologie in verschillende scenario's getest om de veelzijdigheid ervan te bewijzen. Ze lieten zien dat het duidelijke beelden kan vastleggen van statische objecten, zoals een uitsnijding, en bewegende objecten kan volgen terwijl ze door het gezichtsveld passeren. Het systeem werkt even goed bij transmissie, waarbij licht door een object gaat, als bij reflectie, waarbij licht van een oppervlak weerkaatst. In een opvallende demonstratie gebruikte de onderzoekers het systeem om verborgen beveiligingskenmerken te onthullen die met speciale inkt zijn gedrukt die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog onder normaal licht. Door de zichtbare patronen te projecteren, verschenen de verborgen tekst en vormen onmiddellijk op het oppervlak, waardoor de onzichtbare informatie effectief werd ontsleuteld.
Misschien wel de meest veelbelovende toepassing die in de studie is getoond, betreft het kijken door obstakels heen. De onderzoekers gebruikten het systeem om aderachtige structuren te visualiseren die verborgen liggen onder een laag kunstmatische huid en zelfs door een stuk rauw kippenweefsel. Omdat infrarood licht beter door biologisch weefsel kan dringen dan zichtbaar licht, was het systeem in staat om de verborgen structuren te detecteren en een zichtbare kaart van hen op een scherm te projecteren. Dit suggereert dat de technologie op een dag artsen kan helpen om bloedvaten of andere interne kenmerken te zien zonder invasieve procedures, simpelweg door de infraroodsignalen die door het lichaam passeren om te zetten in een zichtbaar beeld.
Het succes van SIVIS berust op zijn vermogen om extreem efficiënt om te gaan met het licht dat het gebruikt. Door een single-pixel detector te gebruiken die gevoelig genoeg is om individuele fotonen te tellen, vermijdt het systeem de ruis en inefficiëntie die traditionele camera's in situaties met weinig licht teisteren. De onderzoekers ontdekten dat zelfs wanneer het licht zo zwak was dat de detector nauwelijks iets registreerde, het systeem nog steeds langzaam een duidelijk beeld van het doelwit kon opbouwen. Deze capaciteit opent de deur naar een nieuwe generatie beeldvormingsinstrumenten die compact, betaalbaar en in staat zijn om in het diepste donker te zien. Hoewel het huidige systeem een fractie van een seconde nodig heeft om het beeld van een willekeurig patroon naar een duidelijke vorm te laten evolueren, merken de onderzoekers op dat toekomstige verbeteringen in de algoritmen dit proces nog sneller kunnen maken. Voor nu bewijst dit werk dat het mogelijk is om de zwakste infraroodsignalen om te zetten in een heldere, zichtbare realiteit, wat een krachtig nieuw instrument biedt om de onzichtbare wereld te zien.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.