التصوير الملون فائق السرعة باستخدام كاشفات أحادية البكسل في ظروف الإضاءة المنخفضة

جدول المحتويات

1. المقدمة

يُعد التصوير فائق السرعة في ظروف الإضاءة المنخفضة تحدياً بالغ الأهمية في مجالات مثل البصريات الحيوية، وديناميكا الموائع الدقيقة، وعلوم المواد. تواجه أجهزة الاستشعار التقليدية ذات البكسلات (CCD/CMOS) مفاضلة أساسية بين السرعة والحساسية. تقدم هذه الورقة البحثية طريقة مبتكرة باستخدام كاشفات أحادية البكسل مجتمعة مع تقنية التصوير الشبحية الحسابية ومصفوفة مصابيح LED ملونة عالية السرعة لتحقيق تصوير فيديو بسرعة 1.4 ميجاهرتز، مع إمكانية وصول معدل الإطارات الكامل إلى 100 ميجاهرتز، حتى في سيناريوهات الإضاءة المنخفضة.

2. المنهجية

2.1. مبدأ التصوير أحادي البكسل

يستبدل التصوير أحادي البكسل (SPI) الدقة المكانية بقياس التسلسل الزمني. يُضيء نمط معروف من الضوء الجسم، ويقيس كاشف واحد عالي الحساسية (يُسمى "الكاشف الدلوي") شدة الضوء الكلية المنعكس أو المنقول. من خلال ربط سلسلة من أنماط الإضاءة المعروفة مع قياسات الكاشف الدلوي المقابلة لها، يمكن إعادة بناء صورة الجسم حسابياً.

2.2. تشكيل مصفوفة مصابيح LED الملونة

يكمن الابتكار الأساسي في استخدام مصفوفة مصابيح LED ملونة مخصصة كمشكل ضوئي مكاني. يمكن لهذه المصفوفة تبديل أنماط الإضاءة بسرعات ميكروثانية، مما يتجاوز بكثير قدرات أجهزة المشكل الضوئي التقليدية مثل أجهزة المرايا الدقيقة الرقمية (DMDs) أو مشكلات الضوء المكانية البلورية السائلة (LC-SLMs)، والتي تكون محدودة بسرعات كيلوهرتز.

2.3. إطار عمل التصوير الشبحية الحسابية

يستخدم النظام مخطط التصوير الشبحية الحسابية (CGI). تكون أنماط الإضاءة محددة مسبقاً (مثل الأنماط العشوائية أو أنماط هادامارد) ومعروفة لخوارزمية إعادة البناء. يُعطى إشارة الكاشف الدلوي $B_i$ للنمط $i$-th $P_i(x,y)$ بالعلاقة: $$B_i = \int\int O(x,y) \cdot P_i(x,y) \, dx\,dy + \text{noise}$$ حيث $O(x,y)$ هي انعكاسية/نفاذية الجسم. تتم إعادة بناء الصورة عن طريق حل المسألة العكسية، غالباً باستخدام تقنيات مثل الاستشعار المضغوط للبيانات غير المكتملة.

3. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

يمكن صياغة إعادة بناء الصورة كمسألة جبر خطي. ليكن $\mathbf{b}$ متجه قياسات الكاشف الدلوي البالغة $M$، و $\mathbf{o}$ الصورة المتجهة ذات $N$ بكسل، و $\mathbf{A}$ مصفوفة القياس $M \times N$ حيث كل صف هو نمط إضاءة مُسطح. النموذج الأمامي هو: $$\mathbf{b} = \mathbf{A}\mathbf{o} + \mathbf{n}$$ حيث $\mathbf{n}$ هو الضوضاء. بالنسبة لـ $M < N$ (الاستشعار المضغوط)، يحل إعادة البناء: $$\hat{\mathbf{o}} = \arg\min_{\mathbf{o}} \|\mathbf{b} - \mathbf{A}\mathbf{o}\|_2^2 + \lambda \Psi(\mathbf{o})$$ حيث $\Psi(\mathbf{o})$ هو منظم يعزز التخلخل (مثل معيار $\ell_1$ في مجال تحويل مثل التحويل المويجي). يؤدي استخدام مصفوفة RGB إلى إدخال ثلاث معادلات من هذا النوع (لقنوات R، G، B)، مما يتيح التصوير الملون.

4. النتائج التجريبية والبيانات

4.1. تصوير المروحة عالية السرعة

تضمن العرض الرئيسي تصوير مروحة دوارة بسرعة عالية. نجح النظام في التقاط تسلسلات فيديو واضحة بمعدل 1.4 مليون إطار في الثانية، مما سمح بتصور ديناميكيات حركة الريش التي يستحيل رؤيتها باستخدام كاميرات عالية السرعة التقليدية تحت نفس قيود الإضاءة المنخفضة. وهذا يثبت قدرة الطريقة على تصوير الأحداث الفائقة السرعة الفريدة وغير المتكررة.

4.2. الأداء في الإضاءة المنخفضة

من خلال دمج الثنائيات الانهيارية أحادية الفوتون (SPADs) ككاشف دلوي، زادت كفاءة اكتشاف النظام بشكل كبير. وهذا سمح بإعادة بناء صورة واضحة في ظروف ندرة الفوتونات، مما وسع حدود التصوير عالي السرعة في الإضاءة المنخفضة. تم إثبات تفوق الميزة المعمارية لـ SPI – وهي جمع كل الضوء على كاشف واحد حساس – بشكل قاطع على توزيع عدد قليل من الفوتونات على العديد من البكسلات في مستشعر CCD/CMOS.

5. إطار التحليل ومثال تطبيقي

مثال: مراقبة الديناميكيات الخلوية العابرة. فكر في تطبيق نظام SPI هذا لمراقبة موجات أيونات الكالسيوم في الخلايا العصبية، وهو حدث سريع، خافت، وغير متكرر. قد تحتاج كاميرا sCMOS التقليدية إلى إضاءة قوية وضارة للحصول على إشارة قابلة للاستخدام بسرعة عالية. سيعمل إطار عمل SPI على النحو التالي: 1) تطلق مصفوفة مصابيح LED الملونة سلسلة من أنماط الإضاءة عالية السرعة ومنخفضة الشدة على مزرعة الخلايا العصبية. 2) يجمع كاشف SPAD واحد جميع فوتونات التألق المنبعثة استجابةً لذلك. 3) باستخدام تسلسل الأنماط المعروف وبيانات الطابع الزمني لكاشف SPAD، يتم إعادة بناء فيديو عالي السرعة ومنخفض الإضاءة لانتشار موجة الكالسيوم حسابياً، مما يقلل من السمية الضوئية.

6. نقاط القوة، القيود، والتحليل النقدي

الرؤية الأساسية: هذا العمل ليس مجرد زيادة تدريجية في السرعة؛ بل هو تحول نموذجي يفصل سرعة التصوير عن تكنولوجيا الكاشف. من خلال نقل عنق الزجاجة للسرعة إلى مصفوفة LED قابلة للتطوير بسهولة، فقد فتحوا طريقاً نحو التصوير بالميجاهرتز يتجاوز الحدود الأساسية لدوائر قراءة CCD/CMOS وميكانيكا أجهزة DMD.

التسلسل المنطقي: الحجة مقنعة: 1) تتطلب السرعة العالية تشكيلاً سريعاً (تم حله بواسطة مصابيح LED). 2) تتطلب الإضاءة المنخفضة أقصى جمع للضوء (تم حله بالكشف الدلوي). 3) جمعهما معاً عبر التصوير الشبحية الحسابية. تجربة المروحة هي دليل مفهوم ملموس ومثالي.

نقاط القوة والعيوب: نقاط القوة هائلة: ناتج غير مسبوق بين السرعة وحساسية الضوء، القدرة اللونية، والبساطة النسبية. العيوب حرجة بنفس القدر. الاعتماد على إعادة البناء الحسابي هو سيف ذو حدين؛ فهو يُمكن السحر ولكنه يُدخل زمن انتقال ويتطلب قوة معالجة كبيرة للفيديو في الوقت الفعلي. من المحتمل أن يكون للنظام الحالي دقة مكانية محدودة مقارنة بعدد البكسلات في أجهزة الاستشعار الحديثة. علاوة على ذلك، كما هو الحال مع جميع أنظمة CGI، يتدهور الأداء مع حركة المشهد خلال تسلسل نمط واحد، وهو تحدٍ لأسرع الأحداث.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للباحثين، فإن الخطوة الفورية هي تبني نهج مصفوفة LED هذا لأي تطبيق يتضمن ظواهر خافتة وسريعة – فكر في التلألؤ الحيوي، تشخيص البلازما، أو التصوير الكمي. بالنسبة للمطورين، فإن الحد التالي هو إنشاء دوائر متكاملة خاصة بالتطبيق (ASICs) ذات زمن انتقال منخفض للغاية ومخصصة لخوارزمية إعادة البناء لتحقيق فيديو بالميجاهرتز في الوقت الفعلي الحقيقي. إشارة الورقة البحثية إلى كواشف الفوتون الواحد أمر أساسي؛ فإقران هذا مع تقنيات الارتباط الكمي الناشئة يمكن أن يدفع الحساسية إلى الحد الأقصى.

7. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

• التصوير الطبي الحيوي: تصوير ديناميكيات العضيات، تدفق الدم في الشعيرات الدموية، أو النشاط العصبي في الأنسجة الحية في الوقت الفعلي وبسمية ضوئية منخفضة.
• التفتيش الصناعي: مراقبة عمليات التصنيع عالية السرعة (مثل اللحام بالليزر، تشغيل رقائق الميكروفلويديك) حيث تكون الإضاءة صعبة.
• البحث العلمي: دراسة التفاعلات الكيميائية، كسور المواد، أو فيزياء البلازما في ظروف إضاءة منخفضة أو خطرة.
• اتجاهات البحث: 1) زيادة الدقة المكانية عبر تصميم أنماط متقدمة وخوارزميات إعادة بناء. 2) تقليل زمن الانتقال الحسابي للتغذية الراجعة في الوقت الفعلي. 3) توسيع النطاق الطيفي خارج الضوء المرئي (فوق البنفسجي، تحت الأحمر). 4) استكشاف بروتوكولات معززة كمياً لمستويات إضاءة أقل، كما هو موضح في العمل الرائد في التصوير الشبحية الكمي.

8. المراجع

1. Zhao, W., Chen, H., Yuan, Y., et al. "Ultra-high-speed color imaging with single-pixel detectors under low light level." arXiv:1907.09517 (2019).
2. Shapiro, J. H. "Computational ghost imaging." Physical Review A, 78(6), 061802 (2008).
3. Gibson, G. M., Johnson, S. D., & Padgett, M. J. "Single-pixel imaging 12 years on: a review." Optics Express, 28(19), 28190-28208 (2020).
4. Boyd, R. W., et al. "Quantum ghost imaging through turbulent atmosphere." In Quantum Communications and Quantum Imaging (Vol. 5161, pp. 200-209). SPIE (2004).
5. National Institute of Standards and Technology (NIST). "Single-Photon Detectors." https://www.nist.gov/programs-projects/single-photon-detectors (تمت الزيارة: يوفر سياقاً حول تكنولوجيا SPAD).
6. Isola, P., Zhu, J. Y., Zhou, T., & Efros, A. A. "Image-to-image translation with conditional adversarial networks." Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition (2017). (تم الاستشهاد به كمثال على إطار عمل تصوير/معالجة حسابي قوي).