Поймать достаточно света от объекта на большом расстоянии нелегко. Фотосъемка на Земле на расстоянии — сложная задача. Поэтому любой снимок с расстояния в несколько километров или около того (при условии, что камера закреплена достаточно высоко, чтобы справиться с кривизной Земли) сделать крайне трудно. И даже тогда атмосфера будет вносить искажения, способные испортить снимок; загрязнение очень мешает, особенно в городах.
Такие детекторы настолько чувствительны, что могут улавливать отдельные фотоны и совмещать их в снимки на расстоянии до 10 километров. Однако в последние годы ученые начали использовать чувствительные фотоприемники, которые намного лучше справляются с этой задачей.
Какова предельная дальность фотокамеры?
На днях Чжен-Пинг Ли и его коллеги из Научно-технического университета Китай в Шанхае показали, как фотографировать объекты на расстоянии до 45 километров в укрытой смогом городской среде. Очевидно, физики никогда не останавливаются на достигнутом. Их метод использует детекторы отдельных фотонов в сочетании с уникальным вычислительным алгоритмом, который позволяет получать изображения сверхвысокого разрешения, объединяя рассеянные точки данных.
Она основана на методе лидаров — LIDAR (Light Identification Detection and Ranging): «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света» — подсвечивает объект лазерным светом и затем создает изображение из отраженного света. Новая техника относительно проста в принципе.
Поэтому любые фотоны, которые прибывают за пределами этого окна, можно игнорировать. Большое преимущество такого рода активной визуализации состоит в том, что отраженные от объекта фотоны возвращаются в детектор в течение определенного временного окна, которое зависит от расстояния.
И это позволяет лидарным системам быть очень чувствительными и ориентированными на расстояние. Такого рода фильтр радикально уменьшает шум, который создается нежелательными фотонами из окружающей среды.
Эта длина волны делает систему безопасной для глаз и позволяет команде отфильтровывать солнечные фотоны, которые в противном случае могли бы перегрузить детектор. Чтобы новая система работала еще лучше в городской среде, Чжен-Пинг и его коллеги использовали инфракрасный лазер с длиной волны 1550 нанометров, частотой повторения 100 килогерц и умеренной мощностью в 120 милливатт.
Отраженные фотоны затем регистрируются коммерческим детектором одиночных фотонов. Исследователи отправляют и получают эти фотоны с помощью одного оптического прибора — обычного астрономического телескопа с линзой 280 мм. Чтобы создать снимок, ученые сканируют поле обзора, используя пьезоуправляемое зеркало, которое может поворачиваться вверх, вниз, вправо и влево.
Но благодаря контролю времени поступления фотонов они могут улавливать фотоны, отраженные с разных расстояний, для создания трехмерного изображения. Таким образом, они могут создавать двухмерные изображения.
Такого рода вычислительная визуализация проделала огромный путь за последние годы, позволив ученым создавать снимки из относительно небольших наборов данных. Последнее достижение, которое удалось осуществить команде, это разработать алгоритм, который собирает изображение воедино, используя однофотонные данные.
Команда установила новую камеру на 20-м этаже здания на острове Чонгминг в Шанхае и направила его на здание гражданской авиации Пудун через реку, в 45 километрах. Результаты говорят сами за себя.
Но новая техника позволяет получать изображения с пространственным разрешением в 60 см, на которых можно разобрать окна здания. Обычные изображения, полученные через телескоп, не показывают ничего, кроме шума. «Этот результат демонстрирует превосходную способность LiDAR-системы одиночных фотонов ближнего инфракрасного спектра различать цели через смог», говорят ученые.
Помимо всего, устройство по размерам не больше коробки обуви, относительно портативное. Стоит подразумевать, что основное применение такой системы будет в области наблюдения, распознавания и идентификации целей.
Обсудить другие возможные применения такой зоркой камеры можно в нашем чате в Телеграме.
