För första gången, forskare har visat att den icke-konventionella avbildningsmetoden som kallas spökbildning kan utföras med låg kostnad, chipbaserad ljusbelysningsenhet. Detta viktiga steg mot chipbaserad spökbildning kan göra avbildningsmetoden praktisk för applikationer som biomedicinsk avbildning i chipskala, ljusdetektering och intervall (LIDAR), och saker av internet-avkänning.

Det finns ett stort intresse för spökbildning eftersom den kan utföras med en billiga enpixeldetektor istället för en komplex, och vanligtvis dyrt, kamera. I kombination med den komprimerade avkänningsberäkningsmetoden, spökbildning kan också uppnå högre känslighet och snabbare bildbehandling än traditionella metoder, särskilt i osynliga våglängdsområden.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskare från University of Tokyo beskriver hur de ersatte en skrymmande optisk komponent som vanligtvis används för spökbildning med en nyutvecklad chipbaserad optisk fasad array (OPA) som mäter endast 4 x 4 millimeter.

"Om det är billigt, enkelchip-avbildningsenheter kommersialiserades, det skulle möjliggöra LIDAR med låg kostnad, som är tekniken självkörande bilar, drönare och autonoma robotar använder för att se sin miljö, "sa Takuo Tanemura, som ledde forskargruppen. "Också, små bildenheter kan vara inbäddade i smartphones för att möjliggöra förbättrad 3D-bildbehandling och hälsoövervakning. "

Snabbare, billigare bildbehandling

Ghost imaging fungerar genom att belysa ett objekt med slumpmässiga fläckmönster som förändras över tiden. Genom att korrelera den överförda (eller reflekterade) optiska effekten som rör sig genom objektet med intensitetsfördelningen av fläckmönstren kan en bild av objektet erhållas.

Även om denna avbildningsmetod föreslogs för mer än 10 år sedan, de skrymmande och långsamma rumsliga ljusmodulatorerna som används för att generera fläckbelysningsmönstren har hållit spökbilder mestadels begränsade till laboratoriet.

I det nya arbetet, forskarna övervann en inneboende utmaning för att tillämpa storskaliga OPA, som använder en rad justerbara integrerade vågledarelement för att styra ljusfasen. Istället för att försöka justera alla optiska faser exakt, vilket är utmanande i praktiken, de konstruerade en OPA där de fasstyrande elementen fungerar slumpmässigt. Detta gjorde det möjligt för dem att generera slumpmässigt föränderliga fläckmönster som var perfekta för spökbilder.

"Jämfört med tidigare implementeringar av spökbilder med hjälp av spatiala ljusvågsmodulatorer som var stora och långsamma (vanligtvis i kilohertz -intervallet), att använda en integrerad fasad array är mycket mer kompakt och erbjuder lägre kostnad, "sa Tanemura." Vår strategi har också potential att nå högre än gigahertz operativa hastigheter, eller sex storleksordningar snabbare än SLM-baserade metoder. "

För att skapa det slumpmässiga fläckmönstret, forskarna tillämpade snabbt förändrade slumpmässiga elektriska signaler på 128 integrerade fasskiftelement på OPA. De demonstrerade 2-D-avbildning med mer än 90 upplösbara punkter i X-riktningen (bestämt av antalet fasskiftare) och 14 pixlar i Y-riktningen (bestämt av antalet testade våglängder). Resultaten överensstämde väl med teoretiska förutsägelser.

Mindre, billigare LIDAR

"Denna typ av bildenhet kan vara särskilt användbar för LIDAR, som för närvarande producerar 3D-bilder med en skrymmande mekanisk spegel för att styra en laserstråle, "sa Tanemura." Det uppskattas att kostnaden, storlek och svarstid för LIDAR måste minskas med 1 till 2 storleksordningar för att kunna användas i stor utsträckning i icke-lyxiga massmarknadsbilar. En spökbildenhet i chipskala kan åstadkomma detta. "

Forskarna kommer att fortsätta arbeta för att göra den nya tekniken ännu mer praktisk. De experimenterar med elektrooptiska fasväxlar som kan öka OPA-driften till hastigheter bortom gigahertz. De planerar också att öka skanningshastigheten ytterligare och skulle vilja integrera alla de optiska komponenterna på samma chip som OPA för att åstadkomma 2-D och 3-D-avbildning utan några off-chip-komponenter.

"Om vi ​​kan integrera alla nödvändiga komponenter, inklusive ljuskälla och detektor, på ett chip, då skulle en spökbildenhet med ett chip vara möjlig, sa Tanemura.