Pencitraan Warna Kelajuan Ultra-Tinggi dengan Pengesan Piksel Tunggal di Bawah Tahap Cahaya Rendah

Kandungan

1. Pengenalan

Pencitraan berkelajuan ultra-tinggi di bawah keadaan cahaya rendah merupakan cabaran kritikal dalam bidang seperti biofotonik, mikrofluidik, dan sains bahan. Pengesan berpiksel tradisional (CCD/CMOS) menghadapi pertukaran asas antara kelajuan dan kepekaan. Kertas kerja ini membentangkan kaedah terobosan menggunakan pengesan piksel tunggal yang digabungkan dengan pencitraan hantu pengiraan dan tatasusunan LED RGB berkelajuan tinggi untuk mencapai pencitraan video pada 1.4MHz, dengan potensi kadar bingkai penuh sehingga 100MHz, walaupun dalam senario cahaya rendah.

2. Metodologi

2.1. Prinsip Pencitraan Piksel Tunggal

Pencitraan piksel tunggal (SPI) menggantikan resolusi spatial dengan pengukuran jujukan temporal. Corak cahaya yang diketahui menyinari objek, dan satu pengesan "baldi" yang sangat sensitif mengukur jumlah keamatan cahaya yang dipantulkan atau dihantar. Dengan mengaitkan satu siri corak penyinaran yang diketahui dengan pengukuran baldi yang sepadan, imej objek boleh dibina semula secara pengiraan.

2.2. Modulasi Tatasusunan LED RGB

Inovasi teras adalah penggunaan tatasusunan LED RGB tersuai sebagai pemodulasi cahaya spatial. Tatasusunan ini boleh menukar corak penyinaran pada kelajuan mikrosaat, jauh melebihi keupayaan peranti mikrocermin digital (DMD) tradisional atau pemodulasi cahaya spatial kristal cecair (LC-SLM), yang terhad pada kadar kHz.

2.3. Kerangka Pencitraan Hantu Pengiraan

Sistem ini menggunakan skema pencitraan hantu pengiraan (CGI). Corak penyinaran telah ditakrifkan terlebih dahulu (contohnya, corak rawak atau Hadamard) dan diketahui oleh algoritma pembinaan semula. Isyarat pengesan baldi $B_i$ untuk corak ke-$i$ $P_i(x,y)$ diberikan oleh: $$B_i = \int\int O(x,y) \cdot P_i(x,y) \, dx\,dy + \text{bunyi}$$ di mana $O(x,y)$ adalah kerefleksian/keterhantaran objek. Imej dibina semula dengan menyelesaikan masalah songsang, selalunya menggunakan teknik seperti penderiaan mampatan untuk data yang kurang disampel.

3. Butiran Teknikal & Formulasi Matematik

Pembinaan semula imej boleh dirangka sebagai masalah algebra linear. Biarkan $\mathbf{b}$ menjadi vektor bagi $M$ pengukuran baldi, $\mathbf{o}$ menjadi imej $N$-piksel yang dijadikan vektor, dan $\mathbf{A}$ menjadi matriks pengukuran $M \times N$ di mana setiap baris adalah corak penyinaran yang diratakan. Model hadapan adalah: $$\mathbf{b} = \mathbf{A}\mathbf{o} + \mathbf{n}$$ di mana $\mathbf{n}$ adalah bunyi. Untuk $M < N$ (penderiaan mampatan), pembinaan semula menyelesaikan: $$\hat{\mathbf{o}} = \arg\min_{\mathbf{o}} \|\mathbf{b} - \mathbf{A}\mathbf{o}\|_2^2 + \lambda \Psi(\mathbf{o})$$ di mana $\Psi(\mathbf{o})$ adalah pengaturcara yang menggalakkan keserakan (contohnya, norma-$\ell_1$ dalam domain transformasi seperti wavelet). Penggunaan tatasusunan RGB memperkenalkan tiga persamaan sedemikian (untuk saluran R, G, B), membolehkan pencitraan warna.

4. Keputusan Eksperimen & Data

4.1. Pencitraan Kipas Berkelajuan Tinggi

Demonstrasi utama melibatkan pencitraan kipas yang berputar dengan pantas. Sistem ini berjaya merakam jujukan video yang jelas pada 1.4 juta bingkai per saat, memvisualisasikan dinamik gerakan bilah yang mustahil dilihat dengan kamera berkelajuan tinggi standard di bawah kekangan cahaya rendah yang setara. Ini mengesahkan keupayaan kaedah untuk peristiwa ultra-pantas yang tidak berulang dan unik.

4.2. Prestasi Cahaya Rendah

Dengan mengintegrasikan diod longsor foton tunggal (SPAD) sebagai pengesan baldi, kecekapan pengesanan sistem meningkat secara drastik. Ini membolehkan pembinaan semula imej yang jelas di bawah keadaan kekurangan foton, menolak had untuk pencitraan berkelajuan tinggi cahaya rendah. Kelebihan seni bina SPI—mengumpul semua cahaya ke atas satu pengesan sensitif—telah terbukti secara muktamad lebih unggul daripada mengagihkan sedikit foton merentasi banyak piksel dalam CCD/CMOS.

5. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kes: Memerhati Dinamik Sel Sementara. Pertimbangkan untuk menggunakan sistem SPI ini untuk memerhati gelombang ion kalsium dalam neuron, satu peristiwa pantas, malap, dan tidak berulang. Kamera sCMOS tradisional mungkin memerlukan penyinaran yang kuat dan merosakkan untuk mendapatkan isyarat yang boleh digunakan pada kelajuan tinggi. Kerangka SPI akan berfungsi seperti berikut: 1) Tatasusunan LED RGB memancarkan satu jujukan penyinaran berpola berkelajuan tinggi, berkeamatan rendah ke atas kultur neuron. 2) Satu SPAD mengumpul semua foton pendarfluor yang dipancarkan sebagai tindak balas. 3) Menggunakan jujukan corak yang diketahui dan data cap masa SPAD, video berkelajuan tinggi, cahaya rendah bagi perambatan gelombang kalsium dibina semula secara pengiraan, meminimumkan fototoksisiti.

6. Kekuatan, Batasan & Analisis Kritikal

Pandangan Teras: Kerja ini bukan sekadar peningkatan kelajuan tambahan; ia adalah anjakan paradigma yang memisahkan kelajuan pencitraan daripada teknologi pengesan. Dengan memindahkan halangan kelajuan kepada tatasusunan LED yang mudah ditingkatkan, mereka telah mencipta laluan kepada pencitraan MHz yang mengelak had asas litar bacaan CCD/CMOS dan mekanik DMD.

Aliran Logik: Hujahnya menarik: 1) Keperluan kelajuan tinggi memerlukan modulasi pantas (diselesaikan oleh LED). 2) Cahaya rendah memerlukan pengumpulan cahaya maksimum (diselesaikan oleh pengesanan baldi). 3) Gabungkan mereka melalui pencitraan hantu pengiraan. Eksperimen kipas adalah bukti konsep yang sempurna dan ketara.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya monumental: produk kelajuan-kepekaan cahaya yang belum pernah berlaku, keupayaan warna, dan kesederhanaan relatif. Kelemahannya sama kritikal. Kebergantungan pada pembinaan semula pengiraan adalah pedang bermata dua; ia membolehkan keajaiban tetapi memperkenalkan kependaman dan memerlukan kuasa pemprosesan yang signifikan untuk video masa nyata. Sistem semasa berkemungkinan mempunyai resolusi spatial yang terhad berbanding kiraan piksel pengesan moden. Tambahan pula, seperti semua CGI, prestasi merosot dengan pergerakan adegan semasa satu jujukan corak, satu cabaran untuk peristiwa terpantas.

Pandangan Boleh Tindak: Untuk penyelidik, langkah segera adalah menggunakan pendekatan tatasusunan LED ini untuk sebarang aplikasi yang melibatkan fenomena malap dan pantas—fikirkan biopendar, diagnostik plasma, atau pencitraan kuantum. Untuk pembangun, sempadan seterusnya adalah mencipta ASIC masa nyata, kependaman rendah yang khusus untuk algoritma pembinaan semula untuk membuka kunci video MHz masa nyata sebenar. Sebutan kertas kerja mengenai pengesan foton tunggal adalah kunci; menggandingkan ini dengan teknik korelasi kuantum yang baru muncul boleh menolak kepekaan ke had terakhir.

7. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

• Pencitraan Bioperubatan: Pencitraan masa nyata, fototoksisiti rendah bagi dinamik organel, aliran darah dalam kapilari, atau aktiviti neural dalam tisu hidup.
• Pemeriksaan Perindustrian: Memantau proses pembuatan berkelajuan tinggi (contohnya, kimpalan laser, operasi cip mikrofluidik) di mana pencahayaan mencabar.
• Penyelidikan Saintifik: Mengkaji tindak balas kimia, keretakan bahan, atau fizik plasma di bawah keadaan cahaya rendah atau berbahaya.
• Hala Tuju Penyelidikan: 1) Meningkatkan resolusi spatial melalui reka bentuk corak lanjutan dan algoritma pembinaan semula. 2) Mengurangkan kependaman pengiraan untuk maklum balas masa nyata. 3) Melanjutkan julat spektrum melebihi cahaya nampak (UV, IR). 4) Meneroka protokol dipertingkatkan kuantum untuk tahap cahaya yang lebih rendah, seperti yang dilihat dalam kerja perintis mengenai pencitraan hantu kuantum.

8. Rujukan

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." Dalam Quantum Communications and Quantum Imaging (Jil. 5161, ms. 200-209). SPIE (2004).
5. Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan (NIST). "Single-Photon Detectors." https://www.nist.gov/programs-projects/single-photon-detectors (Diakses: Memberi konteks mengenai teknologi 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). (Dirujuk sebagai contoh kerangka pencitraan/pemprosesan pengiraan yang berkuasa).