Nur weil sich ein Objekt in einer Ecke befindet, heißt das nicht, dass es versteckt werden muss. Die Bildgebung ohne Sichtverbindung kann um die Ecke blicken und diese Objekte erkennen, ist jedoch bisher auf ein schmales Frequenzband beschränkt. Jetzt kann ein neuer Sensor dabei helfen, diese Technik vom sichtbaren Licht auf Infrarot zu erweitern. Dieser Fortschritt könnte unter anderem dazu beitragen, autonome Fahrzeuge sicherer zu machen.
Bei der Bildgebung ohne Sichtverbindung werden schwache Signale von Lichtstrahlen verwendet, die von Oberflächen reflektiert werden, um Bilder zu rekonstruieren. Die Fähigkeit, um die Ecke zu sehen, könnte sich für die maschinelle Bildverarbeitung als nützlich erweisen, etwa um autonomen Fahrzeugen dabei zu helfen, versteckte Gefahren vorherzusehen, um besser vorhersagen zu können, wie sie darauf reagieren sollen, sagt Xiaolong Hu, Hauptautor der Studie und Professor an der Tianjin-Universität. China. Es könnte auch Endoskope verbessern, die Ärzten dabei helfen, das Innere des Körpers zu untersuchen.
Das Licht, von dem die Nicht-Sichtlinien-Bildgebung abhängt, ist typischerweise sehr schwach, und bisher konnten Detektoren, die effizient und empfindlich genug für die Nicht-Sichtlinien-Bildgebung sind, nur sichtbares oder naheinfrarotes Licht erfassen. Der Wechsel zu längeren Wellenlängen könnte mehrere Vorteile haben, etwa weniger Störungen durch Sonnenlicht und die Möglichkeit, Laser zu verwenden, die für die Augen sicher sind, sagt Hu.
Jetzt ist es Hu und seinen Kollegen erstmals gelungen, mithilfe von Infrarotwellenlängen von 1.560 und 1.997 Nanometern eine Bildgebung ohne Sichtlinie zu ermöglichen. „Diese Spektrumserweiterung öffnet die Tür zu mehr praktischen Anwendungen“, sagt Hu.
Forscher der Tanjin-Universität in China haben zuvor mehrere Objekte ohne Sichtverbindung mit einer Infrarotkamera fotografiert [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 Draht aus Niobnitrid und Titan 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 jedes Geräts in ein fraktales Muster, das bei unterschiedlichen Vergrößerungen ähnliche Formen annahm. Dadurch kann der Sensor Photonen aller Polarisationen erkennen und erhöht so seine Effizienz.
Der neue Detektor war bei der Erkennung von Licht im nahen und mittleren Infrarot bis zu dreimal effektiver als andere Einzelphotonendetektoren. Dadurch konnten Forscher ohne Sichtverbindung Bilder aufnehmen und eine räumliche Auflösung von etwa 1,3 bis 1,5 Zentimetern erreichen.
Zusätzlich zu einem Algorithmus, der aus mehreren Streulichtstrahlen Out-of-Line-Bilder rekonstruiert, entwickelten die Wissenschaftler einen neuen Algorithmus, der Rauschen aus ihren Daten eliminierte. Wenn jedes Pixel während des Scanvorgangs 5 Millisekunden Zeit hatte, Photonen zu sammeln, reduzierte der neue Entrauschungsalgorithmus den mittleren quadratischen Fehler (ein Maß für seine Abweichung von einem perfekten Bild) um etwa das Achtfache.
Forscher planen nun, mehrere Sensoren in größeren Arrays zu organisieren, um die Effizienz zu verbessern, 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.
Wissenschaftler haben detailliert ihre Entdeckungen 30. November in der Zeitung Optischer Express.
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