Впервые исследователи показали, что нетрадиционный метод формирования изображений, известный как создание изображений-призраков, может быть выполнен с использованием недорогого устройства на основе чипов, освещающего свет. Этот важный шаг на пути к созданию призрачной визуализации на основе чипа может сделать метод формирования изображения практичным для таких приложений, как биомедицинская визуализация в масштабе чипа, обнаружение света и определение дальности (LIDAR), а также для устройств обнаружения интернета вещей.

Существует большой интерес к формированию изображения-призрака, поскольку его можно выполнять с помощью недорогого однопиксельного детектора вместо сложной и, как правило, дорогой камеры. В сочетании с вычислительным подходом со сжатым зондированием изображение-призрак может также обеспечить более высокую чувствительность и более быструю визуализацию, чем традиционные методы, особенно в невидимых диапазонах длин волн.

В журнале «Оптическое общество» (OSA) Optics Express исследователи из Токийского университета описывают, как они заменили громоздкий оптический компонент, обычно используемый для формирования изображений-призраков, на недавно разработанную оптическую фазированную матрицу на основе чипов (OPA), размеры которой составляют всего 4 на 4 миллиметра. ,

«Если бы на рынке появились недорогие однокристальные устройства обработки изображений, это позволило бы создать недорогой LIDAR — технологию, позволяющую автомобилям, беспилотным летательным аппаратам и автономным роботам самостоятельно управлять окружающей средой», — сказал Такуо Танемура, руководитель исследовательской группы. , «Кроме того, небольшие устройства обработки изображений могут быть встроены в смартфоны, чтобы обеспечить улучшенную 3D-визуализацию и мониторинг здравоохранения».

Более быстрая и недорогая визуализация

Призрачное изображение работает путем освещения объекта случайными спекл-узорами, которые со временем меняются. Соотнесение передаваемой (или отраженной) оптической силы, которая проходит через объект, с распределением интенсивности спекл-структур, позволяет получить изображение объекта.

Несмотря на то, что этот подход к визуализации был предложен более 10 лет назад, громоздкие и медленные пространственные модуляторы света, используемые для генерации спекл-моделей освещения, сохраняли изображение-призрак в основном ограниченным лабораторией.

В новой работе исследователи преодолели сложную задачу применения крупномасштабных ОРА, которые используют массив регулируемых встроенных волноводных элементов для управления фазой света. Вместо того, чтобы пытаться точно выровнять все оптические фазы, что сложно на практике, они разработали OPA, в котором элементы управления фазой работают случайным образом. Это позволило им генерировать случайно изменяющиеся узоры спеклов, которые идеально подходили для изображения призраков.

«По сравнению с предыдущими реализациями формирования изображений-призраков с использованием пространственных модуляторов световых волн, которые были большими и медленными (обычно работающими в диапазоне килогерц), использование интегрированной фазированной решетки намного более компактно и предлагает более низкую стоимость», — сказал Танемура. «Наш подход также может достигать скоростей, превышающих гигагерцовые, или на шесть порядков быстрее, чем подходы на основе УУЗР».

Чтобы создать случайную картину спеклов, исследователи применили быстро меняющиеся случайные электрические сигналы к 128 интегрированным элементам фазовращателя на OPA. Они продемонстрировали двухмерную визуализацию с более чем 90 разрешаемыми точками в направлении X (определяемом числом фазовращателей) и 14 пикселями в направлении Y (определенным по количеству протестированных длин волн). Результаты хорошо согласуются с теоретическими прогнозами.

Меньше, дешевле ЛИДАР

«Этот тип устройства визуализации может быть особенно полезен для LIDAR, который в настоящее время производит трехмерные изображения с использованием громоздкого механического зеркала для управления лазерным лучом», — сказал Танемура. «Предполагается, что стоимость, размер и время отклика LIDAR должны быть уменьшены на 1–2 порядка, чтобы их можно было широко использовать в автомобилях массового рынка, не являющихся предметами роскоши. Это можно сделать с помощью устройства формирования изображений-призраков».

Исследователи продолжат работу, чтобы сделать новую технологию еще более практичной. Они экспериментируют с электрооптическими фазовращателями, которые могут увеличить работу ОРА до скоростей, превышающих гигагерц. Они также планируют еще больше увеличить скорость сканирования и хотели бы объединить все оптические компоненты на одном чипе с OPA для получения 2-D и 3-D изображений без каких-либо компонентов вне чипа.

«Если мы сможем интегрировать все необходимые компоненты, в том числе источник света и детектор, в микросхему, то возможно создание однокристального устройства для создания паразитных изображений», — сказал Танемура.