MADRID, 13 Jul. (EUROPA PRESS) -
Investigadores han desarrollado un algoritmo tan eficiente que puede generar imágenes en 3D de alta calidad, usando una cámara de un solo fotón que detecta sólo una señal de fotón por píxel.
Con una cámara convencional, cada vez que toma una fotografía, la cámara detecta más de mil millones de fotones. Para una cámara básica de un sol megapíxel, eso es más de 1.000 fotones por píxel.
Los investigadores, dirigidos por Jeffrey Shapiro, profesor de ingeniería eléctrica e informática en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), junto con los co-autores en el MIT, el Politécnico de Milán, y la Universidad de Boston, han publicado un artículo sobre el nuevo desarrollo del fotón eficiente para obtener imágenes con una cámara de un solo fotón en una reciente edición de Nature Communications.
"Nuestro trabajo muestra que podemos utilizar estas nuevas cámaras de recuento de fotones a flujos mucho más bajos y eficiencias mucho más altas de lo que se pensaba", dijo Shapiro a Phys.org.
En comparación con otras tecnologías de imagen 3D basadas en cámaras que se han desarrollado recientemente, esta tiene la más alta eficiencia de fotones hasta la fecha, lo que resulta en una visiblemente mayor precisión de reconstrucción y resolución de profundidad en un orden de magnitud mejor.
Para demostrar cómo el nuevo algoritmo de imagen de fotón único trabaja en entornos de poca luz, los investigadores iluminaron una escena de interés (como un modelo y un girasol) con un láser de impulsos que emite impulsos de poca luz cada 50 nanosegundos. Una luz difusa extiende espacialmente los impulsos para que inunden todo el escenario.
Una cámara de un solo fotón luego recoge la luz reflejada por los objetos iluminados, junto con la luz de fondo que los investigadores añadieron para simular un entorno realista. El elemento clave de la cámara es una matriz diodo de avalancha de fotón único (SPAD por sus siglas en inglés), que detecta fotones entrantes y registra sus tiempos exactos de llegada.
Con el fin de reconstruir una escena de un número muy pequeño de fotones detectados, el nuevo algoritmo recuenta el hecho de que las características de la escena están estadísticamente correlacionadas. Mientras la mayoría de sistemas de cámara tratan cada píxel de forma independiente, el nuevo algoritmo reconoce que los píxeles vecinos a menudo tienen fuertes correlaciones espaciales, que son interrumpidas por límites precisos que separan dos características diferentes (por ejemplo, la camisa del maniquí y el girasol en la escena de la prueba). Al resolver un problema matemático de optimización convexa, el nuevo algoritmo explota las correlaciones para generar imágenes de alta resolución en 3D utilizando muy pocos fotones.
Las imágenes de este experimento tienen una resolución final de 384 x 384 píxeles, y una media de una señal de fotón y un fotón de luz de fondo detectados por píxel.
Otra de las ventajas de la nueva cámara de un solo fotón es que esa imagen se puede tomar muy rápidamente, por lo que es útil para aplicaciones que requieren imagen rápida y precisa usando cantidades de luz extremadamente pequeñas.
