2013. jan 30.

45. 3D kép egyetlen pixelből

írta: _Maverick
45. 3D kép egyetlen pixelből

“Látod? Nem látod? Na látod!”

GI movie2.gifA digitális fényképezés futótűzként terjedt el világunkban, és mára már gyakorlatilag nem is lehet olyan telefont sem venni, mely ne rendelkezne képrögzítő funkcióval. A megapixelek bűvöletében elsőre talán furcsának hathat egy olyan eredményt high-tech tudományos siekrként beállítani, melynek lényege éppen a pixelszám csökkentése, de bizonyára meggondoljuk magunkat, ha azt halljuk, hogy nem csak simán kevesebbről, hanem konkrétan egyetlen egy pixelről van szó! A Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics kutatói Wenlin Gong vezetésével azonban nem csak egyszerűen egy pixel falhsználásával alkottak képet, hanem első ízben sikerült ezzel a módszerrel három dimenziós fotót rögzíteniük! Tovább után összefonódott fotonokról és azokat összefogdozó “vödrökről” lesz szó!

A szóban forgó eljárás a “ghost imaging” névre hallgat, ami némiképp szerencsétlen elnevezés a szellemkép nem kívánatos jelenségével való összekeverhetőség miatt. Magyarra a nem túl egyértelmű “szellem fényképezés” kifejezéssel fordíthatnánk, de ehelyett az X-akták blogra való terminus helyett inkább megmaradunk egyszerűen az angol szókapcsolatnál.

A “szellem” ott jön be a képbe, hogy úgy készül felvétel egy adott objektumról, hogy maga a kamera nem látja a tárgyat, tehát tulajdonképpen egy szellemet fényképezünk. A módszer első alkalmazásakor az alábbi kísérleti elrendezést használták:

ghostimagesetup1.jpg

downconversion.jpgA fényforrásként használt lézer fényt béta-bárium-borát kristályon vezették át. Ezen kristály speciális tulajdonsága, hogy a fotonokat “megkettőzi”, vagyis egyetlen foton helyett létrehoz kettő, egymással szoros kapcsolatban álló, összefonódott fotont. Ezt oly módon teszi, hogy a kristályban a beérkező foton ütközik egy elektronnal, majd mikor az ez által magasabb gerjesztett állapotba kerülő elektron visszatér az ütközés előtti állapotába, nem egy, hanem kettő fotont bocsájt ki. A különböző megmaradási törvények miatt ezen fotonpár tagjai egymással igen szoros kapcsolatban állnak, az egyik tulajdonságaiból következtethetünk a másikéira. Ezt nevezzük kvantum-összefonódásnak, amelynek részletesebb tárgyalására majd máskor térünk vissza, ehelyütt elég tudni a részecskepár tagjainak egymásrautaltságáról.

Az ily módon létrehozott kettős nyaláb egyik részét a tárgy felé írányították, míg a másik közvetlenül beérkezett egy CCD kamerába. Ne felejtsük el, hogy a CCD által detektált fotonok soha, semmilyen kapcsolatban nem voltak a tárggyal, nem is “látták” azt! A tárgy ebben az esetben egy lemez volt, amelyen a mintának megfelelő helyeken juthattak csak át a fotonok. Az így a tárggyal már kapcsolatba lépő részecskéket utána egy angolul “vödör detektornak” nevezett eszközzel érzékelték. A “vödör” szó találó leírást ad a berendezésről, az ugyanis csak annyit tud elmondani, hogy valami beleesett-e, vagy nem. Pusztán a foton beérkezésének tényét tudja állítani, semmilyen információt nem tárol arról, hogy milyen irányból érkezett az adott részecske. Ezt az elemet nevezhetjük 1 pixeles kamerának.

A két jelet utána összehasonlítja egy jelfeldolgozó algoritmus, és a CCD-vel rögzített fotonok közül csak azokat veszi figyelembe, melynek párjait detektálta az 1 pixeles egység. Megfelelően sok foton beérkezése után kirajzolódik a kép a tárgyról (lásd: első ábra), melyet a CCD soha nem látott!

A kezdeti eredmények után felmerült a gyanú, hogy az igen bonyolult, nehezen leírható kvantum-összefonódásra esetleg nincs is szükség, csupán csak a fotonok térbeli korreláltságára. Ezt az alábbi elrendezéssel igazolták is:

ghostimageclassical.jpg

A lézerfény a kristályon való áthaladás helyett itt egy igen nagy frekvenciával billegő tükörre vetült, melynek mozgása befolyásolta a fotonok további haladási irányát, ezáltal létrehozva a térbeli korrelációt (időben máskor érkező fotonok a tükör dőlésének megfelelően más-más irányba haladtak tovább). Ezután minden a korábbiakhoz hasonlóan történt, és a kép ismét megjelent! A kvantum-összefonódás szükségességének kérdése továbbra is viták tárgyát képezi, ugyanis az első módszerrel sokkal jobb felbontású, jobb minőségű képeket lehet létrehozni a tökéletesebb korreláció miatt.

Az egész eljárást ahhoz hasonlíthatjuk, mintha egy festőt egy képet néző társ szöveges módon irányítana, ily módon vászonra vetve a művet. Érezhető, hogy mindez nem túl hatékony, de megfelelően sok elegendően jó utasítás, és kellőképpen tehetséges festő esetén lehetésges.

blindpainting.jpg

Az eddig taglalt módszerekben közös, hogy noha a tárgyat nem látták, de mégiscsak felhasználtak 1-1 hagyományos CCD kamerát is, így csak némi költői túlzással mondhatnánk erre, hogy 1 pixelen történt a rögzítés. A fejlődés azonban nem állt meg ezen a ponton, és sikerült elmiminálni magát a CCD kamerát is! Ezt úgy tehetjük meg, hogy közvetlenül moduláljuk a lézernyalábot, majd detektáljuk a beérkező fotonok mennyiségét, és összevetjük azt azzal, amit az elméleti számítások indokolnának az adott beállítás mellett, tárgy útba helyezése nélkül. Ezekből az adatokból ismét csak legenerálható a kép, melyet most már ténylegesen egy mindössze egyetlen pixellel analóg detektorral rögzítettünk (a feldolgozó apparátus persze már egy másik lapra tartozik).

singledetector.jpg

3D ghost imaging.pngA bevezetőben említett kínai csoport most odáig jutott, hogy ezzel az eljárással már háromdimenziós képet is tudtak rögzíteni. Ezt rétegenként tették meg. Fényforrásként nagyon rövid, mindössze 10 ns hosszúságú impulzusokat használtak, a detektort pedig bizonyos idő elteltével kapcsolták be, ezáltal kalibrálva azt, hogy milyen távolságból visszaverődő fotonokat rögzítsen. A rétegek összeállításával a 900 méterre lévő objektumokról 60 cm mélységi felbontású képeket tudtak alkotni. A jelenlegi módszerrel egy 5 megapixeles fénykép mindösszesen 50000 pixelnyi helyen eltárolható lenne, és a kvantumjelenségek kihasználásával a hagyományos felbontás sokszorosa is elérhető lehet!

Források

Technology Review

Science Daily

http://www.weizmann.ac.il/home/feori/Misc.html

Skulls in the Stars





Szólj hozzá

kvantummechanika optika lézer fókuszpont