Upigaji Picha wa Rangi wa Kasi ya Juu Sana Kwa Vipima-Vipimo Vya Pikseli Moja Chini ya Mwangaza Mdogo

Yaliyomo

1. Utangulizi

Upigaji picha wa kasi ya juu sana chini ya hali ya mwangaza mdogo ni chango muhimu katika nyanja kama vile biofotoniki, mikrofluidiki, na sayansi ya nyenzo. Vipima-vipimo vya jadi vya pikseli (CCD/CMOS) vinakabiliwa na ushindani wa msingi kati ya kasi na unyeti. Karatasi hii inawasilisha mbinu ya mafanikio makubwa kwa kutumia vipima-vipimo vya pikseli moja pamoja na upigaji picha wa kiroho wa kikokotoo na safu ya taa za LED za RGB za kasi ya juu ili kufikia upigaji picha wa video kwa 1.4MHz, na uwezekano wa kiwango kamili cha fremu hadi 100MHz, hata katika hali ya mwangaza mdogo.

2. Mbinu

2.1. Kanuni ya Upigaji Picha wa Pikseli Moja

Upigaji picha wa pikseli moja (SPI) hubadilisha ufumbuzi wa anga na kipimo cha mlolongo wa wakati. Muundo unaojulikana wa mwanga huangaza kitu, na kipima-kipimo kimoja cha hali ya juu cha "ndoo" hupima jumla ya ukubwa wa mwanga ulioakisiwa au uliopitishwa. Kwa kuunganisha mfululizo wa miundo ya mwangaza inayojulikana na vipimo vyao vinavyolingana vya ndoo, picha ya kitu inaweza kujengwa upya kikokotoo.

2.2. Udhibiti wa Safu ya Taa za LED za RGB

Uvumbuzi mkuu ni matumizi ya safu maalum ya taa za LED za RGB kama kifaa cha kudhibiti mwanga wa anga. Safu hii inaweza kubadilisha miundo ya mwangaza kwa kasi ya mikrosekunde, ikizidi kwa mbali uwezo wa vifaa vya jadi vya kioo kidogo cha dijiti (DMDs) au vifaa vya kudhibiti mwanga wa anga vya kioevu-kioo (LC-SLMs), ambavyo vinaweza kufikia viwango vya kHz pekee.

2.3. Mfumo wa Upigaji Picha wa Kiroho wa Kikokotoo

Mfumo huu hutumia mpango wa upigaji picha wa kiroho wa kikokotoo (CGI). Miundo ya mwangaza imebainishwa mapema (k.m., miundo ya nasibu au ya Hadamard) na inajulikana kwa algoriti ya ujenzi upya. Ishara ya kipima-ndoo $B_i$ kwa muundo wa $i$-th $P_i(x,y)$ imetolewa na: $$B_i = \int\int O(x,y) \cdot P_i(x,y) \, dx\,dy + \text{kelele}$$ ambapo $O(x,y)$ ni uakisi/upitishaji wa kitu. Picha hujengwa upya kwa kutatua tatizo la kinyume, mara nyingi kwa kutumia mbinu kama vile hisia ya kubana kwa data isiyopimwa kikamilifu.

3. Maelezo ya Kiufundi & Muundo wa Hisabati

Ujenzi upya wa picha unaweza kuwekwa kama tatizo la aljebra ya mstari. Acha $\mathbf{b}$ iwe vekta ya vipimo $M$ vya ndoo, $\mathbf{o}$ iwe picha iliyovekwa kwenye vekta ya $N$-pikseli, na $\mathbf{A}$ iwe matriki ya kipimo ya $M \times N$ ambapo kila safu ni muundo wa mwangaza uliosawazishwa. Muundo wa mbele ni: $$\mathbf{b} = \mathbf{A}\mathbf{o} + \mathbf{n}$$ ambapo $\mathbf{n}$ ni kelele. Kwa $M < N$ (hisia ya kubana), ujenzi upya hutatua: $$\hat{\mathbf{o}} = \arg\min_{\mathbf{o}} \|\mathbf{b} - \mathbf{A}\mathbf{o}\|_2^2 + \lambda \Psi(\mathbf{o})$$ ambapo $\Psi(\mathbf{o})$ ni kirai cha kukuza uthabiti (k.m., kawaida ya $\ell_1$ katika kikoa la mabadiliko kama vile wavelet). Matumizi ya safu ya RGB yanaingiza milinganyo mitatu kama hii (kwa njia za R, G, B), kuwezesha upigaji picha wa rangi.

4. Matokeo ya Majaribio & Data

4.1. Upigaji Picha wa Propela wa Kasi ya Juu

Uthibitisho mkuu ulihusisha kupiga picha propela inayozunguka kwa kasi. Mfumo ulifanikiwa kukamata mfululizo wazi wa video kwa kiwango cha fremu milioni 1.4 kwa sekunde, ukiwaonyesha mienendo ya mwendo ya blade ambayo haiwezekani kuonekana kwa kamera za kawaida za kasi ya juu chini ya vikwazo sawa vya mwangaza mdogo. Hii inathibitisha uwezo wa mbinu hii kwa matukio ya kasi ya juu ya kipekee, yasiyorudiwarudi.

4.2. Utendaji Chini ya Mwangaza Mdogo

Kwa kuunganisha diode za mwanga mmoja (SPADs) kama kipima-ndoo, ufanisi wa kugundua wa mfumo uliongezeka sana. Hii iliruhusu ujenzi upya wa picha wazi chini ya hali ya upungufu wa fotoni, ikisukuma upeo wa upigaji picha wa kasi ya juu chini ya mwangaza mdogo. Faida ya muundo wa SPI—ya kukusanya mwanga wote kwenye kipima-kipimo kimoja cha hali ya juu—ilithibitishwa kuwa bora kuliko kusambaza fotoni chache kwenye pikseli nyingi katika CCD/CMOS.

5. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Kesi: Kuchunguza Mienendo ya Msisimko wa Seli. Fikiria kutumia mfumo huu wa SPI kuchunguza mawimbi ya ioni za kalisi katika neva, tukio la kasi, dhaifu, na lisilorudiwarudi. Kamera ya jadi ya sCMOS inaweza kuhitaji mwangaza mkali, unaodhuru ili kupata ishara inayoweza kutumiwa kwa kasi ya juu. Mfumo wa SPI ungefanya kazi kama ifuatavyo: 1) Safu ya taa za LED za RGB inatoa mfululizo wa miundo ya mwangaza ya kasi ya juu, ya ukubwa mdogo kwenye utamaduni wa neva. 2) SPAD moja hukusanya fotoni zote za umeme zinazotolewa kwa majibu. 3) Kwa kutumia mlolongo unaojulikana wa muundo na data ya muhuri wa wakati wa SPAD, video ya kasi ya juu, ya mwangaza mdogo ya usambazaji wa wimbi la kalisi hujengwa upya kikokotoo, ikipunguza usumaku wa mwanga.

6. Nguvu, Vikwazo & Uchambuzi Muhimu

Ufahamu Mkuu: Kazi hii sio tu kuongeza kasi ya hatua kwa hatua; ni mabadiliko ya dhana inayotenganisha kasi ya upigaji picha na teknolojia ya kipima-kipimo. Kwa kuhamisha kikwazo cha kasi kwenye safu ya taa za LED inayoweza kupanuka kwa urahisi, wameunda njia ya upigaji picha wa MHz inayopita mipaka ya msingi ya saketi za usomaji za CCD/CMOS na mitambo ya DMD.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni ya kulazimisha: 1) Mahitaji ya kasi ya juu yanahitaji udhibiti wa kasi (uliotatuliwa na taa za LED). 2) Mwangaza mdogo unahitaji ukusanyaji wa juu wa mwanga (uliotatuliwa na kugundua ndoo). 3) Unganisha hizo kupitia upigaji picha wa kiroho wa kikokotoo. Jaribio la propela ni uthibitisho kamili, wa kushikika wa dhana.

Nguvu & Kasoro: Nguvu ni kubwa sana: bidhaa ya kasi-unyeti ya mwanga isiyo na kifani, uwezo wa rangi, na urahisi wa jamaa. Kasoro pia ni muhimu sana. Kutegemea ujenzi upya wa kikokotoo ni upanga wenye makali mawili; huwezesha uchawi lakini huleta ucheleweshaji na kunahitaji nguvu kubwa ya usindikaji kwa video ya wakati halisi. Mfumo wa sasa unaweza kuwa na ufumbuzi mdogo wa anga ikilinganishwa na idadi ya pikseli za vipima-vipimo vya kisasa. Zaidi ya hayo, kama ilivyo kwa CGI yote, utendaji hupungua na mwendo wa eneo wakati wa mlolongo mmoja wa muundo, chango kwa matukio ya kasi zaidi.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti, hatua ya haraka ni kupitisha njia hii ya safu ya taa za LED kwa matumizi yoyote yanayohusisha matukio dhaifu, ya kasi—fikiria umeme wa mwanga wa viumbe hai, uchunguzi wa plasma, au upigaji picha wa quantum. Kwa watengenezaji, mpaka unaofuata ni kuunda ASICs za wakati halisi, zenye ucheleweshaji mdogo zilizojitolea kwa algoriti ya ujenzi upya ili kufungua video ya kweli ya wakati halisi ya MHz. Kutaja kwa karatasi ya vipima-fotoni moja ni muhimu; kuunganisha hii na mbinu mpya za uunganisho wa quantum kunaweza kusukuma unyeti hadi kikomo cha mwisho.

7. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

• Upigaji Picha wa Kibiolojia na Kiafya: Upigaji picha wa wakati halisi, wenye usumaku mdogo wa mwanga wa mienendo ya viungo vya seli, mtiririko wa damu katika mishipa ya damu midogo, au shughuli ya neva katika tishu hai.
• Uchunguzi wa Viwanda: Ufuatiliaji wa michakato ya utengenezaji wa kasi ya juu (k.m., kulehemu kwa laser, uendeshaji wa chip ya mikrofluidiki) ambapo taa ni changamoto.
• Utafiti wa Kisayansi: Kujifunza athari za kemikali, uvunjaji wa nyenzo, au fizikia ya plasma chini ya hali ya mwangaza mdogo au hatari.
• Mwelekeo wa Utafiti: 1) Kuongeza ufumbuzi wa anga kupitia muundo wa hali ya juu wa muundo na algoriti za ujenzi upya. 2) Kupunguza ucheleweshaji wa kikokotoo kwa maoni ya wakati halisi. 3) Kupanua safu ya wigo zaidi ya mwanga unaoonekana (UV, IR). 4) Kuchunguza itifaki zilizoboreshwa za quantum kwa viwango vya chini zaidi vya mwanga, kama inavyoonekana katika kazi ya kwanza ya upigaji picha wa kiroho wa quantum.

8. Marejeo

1. Zhao, W., Chen, H., Yuan, Y., et al. "Upigaji picha wa rangi wa kasi ya juu sana kwa vipima-vipimo vya pikseli moja chini ya kiwango cha mwangaza mdogo." arXiv:1907.09517 (2019).
2. Shapiro, J. H. "Upigaji picha wa kiroho wa kikokotoo." Physical Review A, 78(6), 061802 (2008).
3. Gibson, G. M., Johnson, S. D., & Padgett, M. J. "Upigaji picha wa pikseli moja miaka 12 baadaye: ukaguzi." Optics Express, 28(19), 28190-28208 (2020).
4. Boyd, R. W., et al. "Upigaji picha wa kiroho wa quantum kupitia anga yenye msukosuko." Katika Mawasiliano ya Quantum na Upigaji Picha wa Quantum (Vol. 5161, uk. 200-209). SPIE (2004).
5. Taasisi ya Kitaifa ya Viwango na Teknolojia (NIST). "Vipima-Fotoni Moja." https://www.nist.gov/programs-projects/single-photon-detectors (Ilifikia: Inatoa muktadha wa teknolojia ya SPAD).
6. Isola, P., Zhu, J. Y., Zhou, T., & Efros, A. A. "Tafsiri ya picha-hadi-picha na mitandao ya kupingana ya masharti." Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition (2017). (Iliyotajwa kama mfano wa mfumo wenye nguvu wa upigaji picha/usindikaji wa kikokotoo).