Nur weil ein Objekt um die Ecke ist, heißt das nicht, dass es versteckt werden muss. Mit der Bildgebung ohne Sichtverbindung können Sie um die Ecke blicken und diese Objekte erkennen, sie war jedoch bisher auf ein schmales Frequenzband beschränkt. Jetzt kann ein neuer Sensor dazu beitragen, diese Technik von der Arbeit mit sichtbarem Licht auf Infrarot zu erweitern. Dieser Fortschritt könnte unter anderem dazu beitragen, autonome Fahrzeuge sicherer zu machen.
Bei der Bildgebung ohne Sichtverbindung werden zur Rekonstruktion von Bildern die schwachen Signale von Lichtstrahlen verwendet, die von Oberflächen reflektiert werden. Die Fähigkeit, um die Ecke zu sehen, könnte sich für das maschinelle Sehen als nützlich erweisen – zum Beispiel, um autonomen Fahrzeugen dabei zu helfen, versteckte Gefahren vorherzusehen, um besser vorherzusagen, wie sie darauf reagieren sollen, sagt Xiaolong Hu, der leitende Autor der Studie und Professor an der Tianjin-Universität in Tianjin. China. Es könnte auch Endoskope verbessern, die Ärzten helfen, in den Körper zu blicken.
Das Licht, auf das die Bildgebung ohne Sichtlinie angewiesen ist, ist normalerweise sehr schwach, und bisher konnten die Detektoren, die für die Bildgebung ohne Sichtlinie effizient und empfindlich genug waren, nur sichtbares oder naheinfrarotes Licht erfassen. Die Umstellung auf längere Wellenlängen könnte mehrere Vorteile mit sich bringen, etwa weniger Störungen durch Sonnenlicht und die Möglichkeit, Laser zu verwenden, die für die Augenumgebung sicher sind, sagt Hu.
Jetzt haben Hu und seine Kollegen zum ersten Mal eine Bildgebung ohne Sichtlinie mit Infrarotwellenlängen von 1.560 und 1.997 Nanometern durchgeführt. „Diese Erweiterung des Spektrums ebnet den Weg für praktischere Anwendungen“, sagt Hu.
Forscher der Tanjin-Universität in China haben zuvor mehrere Objekte mit einer Infrarotkamera ohne Sichtlinie abgebildet [middle column] und danach [right column] unter Verwendung ihres rekonstruktiven Algorithmus.Tianjin-Universität
In der neuen Studie experimentierten die Forscher mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren. In jedem Gerät wurde ein 40 Nanometer breiter Niob-Titannitrid-Draht auf etwa 2 Kelvin (etwa –271 °C) abgekühlt, wodurch der Draht supraleitend wurde. Ein einzelnes Photon könnte diesen fragilen Zustand stören und elektrische Impulse erzeugen, die die effiziente Erkennung einzelner Photonen ermöglichen.
Die Wissenschaftler verzerrten den Nanodraht in jedem Gerät zu einem fraktalen Muster, das bei verschiedenen Vergrößerungen ähnliche Formen annahm. Dadurch kann der Sensor Photonen aller Polarisationen erkennen und so seine Effizienz steigern.
Der neue Detektor war bei der Erfassung von Licht im nahen und mittleren Infrarot bis zu dreimal so effizient wie andere Einzelphotonendetektoren. Dadurch konnten die Forscher eine Bildgebung ohne Sichtlinie durchführen und eine räumliche Auflösung von etwa 1,3 bis 1,5 Zentimetern erreichen.
Zusätzlich zu einem Algorithmus, der Bilder außerhalb der Sichtlinie auf der Grundlage mehrerer Streulichtstrahlen rekonstruierte, entwickelten die Wissenschaftler einen neuen Algorithmus, der dabei half, Rauschen aus ihren Daten zu entfernen. Als jedem Pixel während des Scanvorgangs 5 Millisekunden Zeit zum Sammeln von Photonen gegeben wurde, reduzierte der neue Rauschunterdrückungsalgorithmus den quadratischen Mittelfehler – ein Maß für seine Abweichung von einem perfekten Bild – der rekonstruierten Bilder um etwa das Achtfache.
Die Forscher planen nun, mehrere Sensoren in größeren Arrays anzuordnen, um die Effizienz zu steigern, die Scanzeit zu verkürzen und die Entfernung zu vergrößern, über die die Bildgebung erfolgen kann, sagt Hu. Sie würden ihr Gerät auch gerne bei Tageslicht testen, fügt er hinzu.
Die Wissenschaftler detailliert ihre Erkenntnisse 30. November im Journal Optik-Express.
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