تصویربرداری رنگی فوق‌سریع با آشکارسازهای تک‌پیکسلی در شرایط نور کم

فهرست مطالب

1. مقدمه

تصویربرداری فوق‌سریع در شرایط نور کم، چالشی حیاتی در حوزه‌هایی مانند زیست‌فوتونیک، میکروفلوییدیک و علم مواد است. حسگرهای سنتی پیکسل‌بندی‌شده (CCD/CMOS) با یک مبادله بنیادی بین سرعت و حساسیت مواجه هستند. این مقاله روشی انقلابی را ارائه می‌دهد که با استفاده از آشکارسازهای تک‌پیکسلی در ترکیب با تصویربرداری شبح محاسباتی و یک آرایه LED رنگی پرسرعت، به تصویربرداری ویدیویی در ۱.۴ مگاهرتز دست می‌یابد، با نرخ فریم بالقوه کامل تا ۱۰۰ مگاهرتز، حتی در سناریوهای نور کم.

2. روش‌شناسی

2.1. اصل تصویربرداری تک‌پیکسلی

تصویربرداری تک‌پیکسلی (SPI)، وضوح مکانی را با اندازه‌گیری توالی زمانی جایگزین می‌کند. یک الگوی نوری معلوم، یک شیء را روشن می‌کند و یک آشکارساز "سطل‌مانند" بسیار حساس، شدت کل نور بازتاب‌شده یا عبوری را اندازه می‌گیرد. با همبستگی دادن یک سری الگوهای روشنایی معلوم با اندازه‌گیری‌های سطل متناظرشان، تصویری از شیء می‌تواند به صورت محاسباتی بازسازی شود.

2.2. مدولاسیون آرایه LED رنگی

نوآوری اصلی، استفاده از یک آرایه LED رنگی سفارشی به عنوان مدولاتور نوری فضایی است. این آرایه می‌تواند الگوهای روشنایی را در سرعت‌های میکروثانیه‌ای تغییر دهد، که بسیار فراتر از قابلیت‌های دستگاه‌های سنتی میکروآینه دیجیتال (DMD) یا مدولاتورهای نوری فضایی کریستال مایع (LC-SLM) است که در نرخ‌های کیلوهرتزی محدود می‌شوند.

2.3. چارچوب تصویربرداری شبح محاسباتی

این سیستم از یک طرح تصویربرداری شبح محاسباتی (CGI) استفاده می‌کند. الگوهای روشنایی از پیش تعریف شده (مانند الگوهای تصادفی یا هادامارد) و برای الگوریتم بازسازی معلوم هستند. سیگنال آشکارساز سطل $B_i$ برای الگوی $i$-ام $P_i(x,y)$ به صورت زیر داده می‌شود: $$B_i = \int\int O(x,y) \cdot P_i(x,y) \, dx\,dy + \text{نویز}$$ که در آن $O(x,y)$ بازتابندگی/عبورپذیری شیء است. تصویر با حل مسئله معکوس بازسازی می‌شود، که اغلب از تکنیک‌هایی مانند حس فشرده برای داده‌های کم‌نمونه استفاده می‌کند.

3. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

بازسازی تصویر را می‌توان به عنوان یک مسئله جبر خطی قالب‌بندی کرد. فرض کنید $\mathbf{b}$ بردار $M$ اندازه‌گیری سطل، $\mathbf{o}$ تصویر برداری‌شده $N$-پیکسل، و $\mathbf{A}$ ماتریس اندازه‌گیری $M \times N$ باشد که هر سطر آن یک الگوی روشنایی تخت‌شده است. مدل رو به جلو به این صورت است: $$\mathbf{b} = \mathbf{A}\mathbf{o} + \mathbf{n}$$ که در آن $\mathbf{n}$ نویز است. برای $M < N$ (حس فشرده)، بازسازی مسئله زیر را حل می‌کند: $$\hat{\mathbf{o}} = \arg\min_{\mathbf{o}} \|\mathbf{b} - \mathbf{A}\mathbf{o}\|_2^2 + \lambda \Psi(\mathbf{o})$$ که در آن $\Psi(\mathbf{o})$ یک تنظیم‌کننده ترویج‌دهنده پراکندگی است (مانند نرم $\ell_1$ در یک حوزه تبدیل مانند موجک). استفاده از یک آرایه رنگی، سه معادله از این نوع (برای کانال‌های R، G، B) معرفی می‌کند که امکان تصویربرداری رنگی را فراهم می‌سازد.

4. نتایج و داده‌های آزمایشی

4.1. تصویربرداری از ملخ پرسرعت

نمایش کلیدی شامل تصویربرداری از یک ملخ در حال چرخش سریع بود. این سیستم با موفقیت توالی‌های ویدیویی واضحی را در ۱.۴ میلیون فریم بر ثانیه ثبت کرد و پویایی حرکت پره‌ها را به تصویر کشید که با دوربین‌های پرسرعت استاندارد تحت محدودیت‌های نور کم معادل، دیدن آن غیرممکن است. این موضوع، قابلیت روش برای رویدادهای فوق‌سریع غیرتکراری و منحصربه‌فرد را تأیید می‌کند.

4.2. عملکرد در نور کم

با ادغام دیودهای بهمنی تک‌فوتونی (SPAD) به عنوان آشکارساز سطل، بازده تشخیص سیستم به شدت افزایش یافت. این امر امکان بازسازی تصویر واضح در شرایط کمبود فوتون را فراهم کرد و مرزهای تصویربرداری پرسرعت در نور کم را جابجا نمود. مزیت معماری SPI—جمع‌آوری تمام نور بر روی یک آشکارساز حساس—به طور قطعی برتر از توزیع چند فوتون در میان پیکسل‌های زیاد در یک CCD/CMOS ثابت شد.

5. چارچوب تحلیل و مثال موردی

مورد: مشاهده پویایی‌های گذرای سلولی. کاربرد این سیستم SPI را برای مشاهده امواج یون کلسیم در نورون‌ها در نظر بگیرید، که یک رویداد سریع، کم‌نور و غیرتکراری است. یک دوربین sCMOS سنتی ممکن است برای دریافت سیگنال قابل استفاده در سرعت بالا، به روشنایی شدید و آسیب‌زا نیاز داشته باشد. چارچوب SPI به این صورت عمل می‌کند: ۱) آرایه LED رنگی، یک دنباله از روشنایی‌های الگویی پرسرعت و کم‌شدت را بر روی کشت نورون می‌تاباند. ۲) یک SPAD منفرد، تمام فوتون‌های فلورسانس منتشرشده در پاسخ را جمع‌آوری می‌کند. ۳) با استفاده از دنباله الگوی معلوم و داده‌های زمان‌بندی SPAD، یک ویدیوی پرسرعت و کم‌نور از انتشار موج کلسیم به صورت محاسباتی بازسازی می‌شود و فوتوتوکسیسیتی را به حداقل می‌رساند.

6. نقاط قوت، محدودیت‌ها و تحلیل انتقادی

بینش اصلی: این کار صرفاً یک افزایش سرعت تدریجی نیست؛ بلکه یک تغییر پارادایم است که سرعت تصویربرداری را از فناوری آشکارساز جدا می‌کند. با انتقال گلوگاه سرعت به یک آرایه LED به راحتی مقیاس‌پذیر، مسیری به سوی تصویربرداری مگاهرتزی ایجاد کرده‌اند که از محدودیت‌های بنیادی مدارهای خوانش CCD/CMOS و مکانیک DMD دور می‌زند.

جریان منطقی: استدلال قانع‌کننده است: ۱) سرعت بالا نیاز به مدولاسیون سریع دارد (با LEDها حل شد). ۲) نور کم نیاز به جمع‌آوری حداکثری نور دارد (با تشخیص سطل حل شد). ۳) ترکیب آن‌ها از طریق تصویربرداری شبح محاسباتی. آزمایش ملخ، یک اثبات مفهوم ملموس و کامل است.

نقاط قوت و ضعف: نقاط قوت بسیار چشمگیر هستند: حاصل ضرب سرعت-حساسیت نوری بی‌سابقه، قابلیت رنگی و سادگی نسبی. نقاط ضعف نیز به همان اندازه حیاتی هستند. وابستگی به بازسازی محاسباتی یک شمشیر دولبه است؛ جادو را ممکن می‌سازد اما تأخیر معرفی می‌کند و برای ویدیوی بلادرنگ به قدرت پردازشی قابل توجهی نیاز دارد. سیستم فعلی احتمالاً وضوح مکانی محدودی در مقایسه با تعداد پیکسل حسگرهای مدرن دارد. علاوه بر این، مانند همه CGIها، عملکرد با حرکت صحنه در طول یک دنباله الگوی منفرد کاهش می‌یابد، که چالشی برای سریع‌ترین رویدادهاست.

بینش‌های عملی: برای پژوهشگران، اقدام فوری، اتخاذ این رویکرد آرایه LED برای هر کاربرد مرتبط با پدیده‌های کم‌نور و سریع است—مانند زیست‌تابی، تشخیص پلاسما یا تصویربرداری کوانتومی. برای توسعه‌دهندگان، مرز بعدی، ایجاد مدارهای مجتمع خاص برنامه (ASIC) بلادرنگ و کم‌تأخیر اختصاص‌یافته به الگوریتم بازسازی برای آزادسازی ویدیوی مگاهرتزی واقعاً بلادرنگ است. اشاره مقاله به آشکارسازهای تک‌فوتونی کلیدی است؛ ترکیب این با تکنیک‌های نوظهور همبستگی کوانتومی می‌تواند حساسیت را تا حد نهایی پیش ببرد.

7. کاربردهای آینده و جهت‌های پژوهشی

• تصویربرداری زیست‌پزشکی: تصویربرداری بلادرنگ با فوتوتوکسیسیتی کم از پویایی اندامک‌ها، جریان خون در مویرگ‌ها یا فعالیت عصبی در بافت زنده.
• بازرسی صنعتی: نظارت بر فرآیندهای تولید پرسرعت (مانند جوش لیزری، عملکرد تراشه میکروفلوییدیک) که نورپردازی در آن چالش‌برانگیز است.
• پژوهش علمی: مطالعه واکنش‌های شیمیایی، شکست مواد یا فیزیک پلاسما در شرایط نور کم یا خطرناک.
• جهت‌های پژوهشی: ۱) افزایش وضوح مکانی از طریق طراحی الگوی پیشرفته و الگوریتم‌های بازسازی. ۲) کاهش تأخیر محاسباتی برای بازخورد بلادرنگ. ۳) گسترش محدوده طیفی فراتر از نور مرئی (فرابنفش، فروسرخ). ۴) کاوش پروتکل‌های تقویت‌شده کوانتومی برای سطوح نور حتی پایین‌تر، همان‌طور که در کارهای پیشگامانه در تصویربرداری شبح کوانتومی مشاهده شده است.

8. منابع

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 (دسترسی: زمینه‌ای در مورد فناوری SPAD ارائه می‌دهد).
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). (به عنوان نمونه‌ای از یک چارچوب قدرتمند تصویربرداری/پردازش محاسباتی ذکر شده است).