Ни для кого не секрет, что камеры все лучше снимают при недостаточном освещении. Исследователи из Университета Глазго (Шотландия) поддержали эту тенденцию, создав устройство формирования изображения, которое может работать при освещении меньше одного фотона на пиксель. Объединив две технологии – аркирование фотонов и сжатие изображения, – команде удалось достичь того, что на первый взгляд казалось невозможным.
Первая часть этой технологии – маркировка изображения, также называемая «фантомной», – основана на маркировании фотонов. При определенных условиях пары пойманных фотонов могут быть получены с помощью процесса, называемого спонтанным параметрическим рассеянием, а затем разделены. Большую часть времени при обнаружении одного фотона, можно обнаружить и второй. Другими словами, обнаружение первого фотона «сообщает» о существовании второго.
Разработанное устройство использует делитель пучка для отправки одного фотона из каждой пары сквозь объект (камера работает только с пропускающими свет объектами) и на очень чувствительный однопиксельный сенсор. А второй на высокоскоростную камеру. Сенсор активируется только тогда, когда фотон проходит сквозь целевой объект. Когда это происходит, он посылает сигнал на открытие затвора камеры, расположенного в конце пути другого фотона исходной пары, примерно на 15 наносекунд. Этого достаточно чтобы записать положение второго маркированного фотона, но не достаточно, чтобы избавиться от фоновых шумов. В сущности, однопиксельный сенсор действует как скоростной затвор камеры, так что он сфотографирует только те фотоны, которые прошли сквозь объект. Для того чтобы сигнал спуска затвора успел дойти до камеры, в устройство добавлена задержка примерно 70 наносекунд.
Такое использование маркированных фотонов позволяет устройству получить достаточно света: практически один фотона на пиксель, хотя шумов избежать не удастся. Технология сжатия изображения позволяет справиться с этими шумами и расширить границы еще дальше – до менее чем одного фотона на пиксель. Опираясь на присущую избыточность информации о предметах, сжатие изображения использует информацию в частотной области,– в данном случае – полученную благодаря дискретному косинусному преобразованию изображения для значительного восстановления части изображения, которое не удалось получить прямым путем.
Вы можете видеть преимущества метода сжатия изображения на фотографиях (см. ниже), представленных исследователями. На левом снимке запечатлено крыло осы, снятое с использованием около 10000 фотонов. На правом – восстановленная версия после обработки частотной информации, для создания «наиболее вероятной» версии объекта.
Эта невероятная камера была создана не только для показухи. Команда надеется, что это приведет к развитию камер используемых в науке, и их можно будет использовать для изучения и описания светочувствительных объектов, как, например, некоторые биологические виды.