Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che il metodo di imaging non convenzionale noto come imaging fantasma può essere eseguito utilizzando un sistema a basso costo, dispositivo di illuminazione della luce basato su chip. Questo importante passo verso l'imaging fantasma basato su chip potrebbe rendere il metodo di imaging pratico per applicazioni come l'imaging biomedico su scala di chip, rilevamento e distanza della luce (LIDAR), e dispositivi di rilevamento dell'Internet delle cose.

C'è un grande interesse per l'imaging fantasma perché può essere eseguito con un rilevatore a pixel singolo a basso costo invece di un complesso, e tipicamente costoso, telecamera. Quando combinato con l'approccio computazionale di rilevamento compresso, l'imaging fantasma può anche ottenere una maggiore sensibilità e immagini più veloci rispetto ai metodi tradizionali, soprattutto nelle gamme di lunghezze d'onda non visibili.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , ricercatori dell'Università di Tokyo descrivono come hanno sostituito un componente ottico ingombrante tipicamente utilizzato per l'imaging fantasma con un phased array ottico (OPA) basato su chip di nuova concezione che misura solo 4 per 4 millimetri.

"Se a basso costo, sono stati commercializzati dispositivi di imaging a chip singolo che consentirebbero LIDAR a basso costo, che è la tecnologia auto a guida autonoma, droni e robot autonomi usano per vedere il loro ambiente, " disse Takuo Tanemura, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Anche, piccoli dispositivi di imaging potrebbero essere incorporati negli smartphone per consentire un miglioramento dell'imaging 3D e del monitoraggio sanitario".

Più veloce, imaging a basso costo

L'imaging fantasma funziona illuminando un oggetto con modelli di puntini casuali che cambiano nel tempo. La correlazione della potenza ottica trasmessa (o riflessa) che viaggia attraverso l'oggetto con la distribuzione dell'intensità dei pattern speckle consente di ottenere un'immagine dell'oggetto.

Sebbene questo approccio di imaging sia stato proposto più di 10 anni fa, gli ingombranti e lenti modulatori di luce spaziale utilizzati per generare i modelli di illuminazione speckle hanno mantenuto l'imaging fantasma per lo più limitato al laboratorio.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno superato una sfida intrinseca nell'applicazione di OPA su larga scala, che utilizzano una serie di elementi guida d'onda integrati regolabili per controllare la fase della luce. Invece di cercare di allineare con precisione tutte le fasi ottiche, che è impegnativo in pratica, hanno progettato un OPA in cui gli elementi di controllo di fase operano in modo casuale. Ciò ha permesso loro di generare modelli di macchioline che cambiano casualmente che erano perfetti per l'imaging dei fantasmi.

"Rispetto alle precedenti implementazioni dell'imaging fantasma utilizzando modulatori spaziali di onde luminose che erano grandi e lenti (in genere operanti nell'intervallo dei kilohertz), l'utilizzo di un phased array integrato è molto più compatto e offre costi inferiori, " ha affermato Tanemura. "Il nostro approccio ha anche il potenziale per raggiungere velocità operative superiori a gigahertz, o sei ordini di grandezza più veloci degli approcci basati su SLM."

Per creare il motivo a macchie casuali, i ricercatori hanno applicato segnali elettrici casuali che cambiano rapidamente a 128 elementi sfasatori integrati sull'OPA. Hanno dimostrato l'imaging 2-D con più di 90 punti risolvibili nella direzione X (determinata dal numero di sfasatori) e 14 pixel nella direzione Y (determinata dal numero di lunghezze d'onda testate). I risultati concordano bene con le previsioni teoriche.

Più piccoli, LIDAR . più economico

"Questo tipo di dispositivo di imaging potrebbe essere particolarmente utile per LIDAR, che attualmente produce immagini 3D utilizzando un ingombrante specchio meccanico per guidare un raggio laser, " disse Tanemura. "Si stima che il costo, le dimensioni e il tempo di risposta del LIDAR devono essere ridotti da 1 a 2 ordini di grandezza per essere ampiamente implementato nelle auto non di lusso del mercato di massa. Un dispositivo di imaging fantasma su scala di chip potrebbe raggiungere questo obiettivo".

I ricercatori continueranno a lavorare per rendere la nuova tecnologia ancora più pratica. Stanno sperimentando sfasatori elettro-ottici che potrebbero aumentare il funzionamento dell'OPA a velocità oltre i gigahertz. Hanno inoltre in programma di aumentare ulteriormente la velocità di scansione e vorrebbero integrare tutti i componenti ottici sullo stesso chip dell'OPA per ottenere immagini 2-D e 3-D senza componenti off-chip.

"Se siamo in grado di integrare tutti i componenti necessari, compresa la sorgente luminosa e il rilevatore, su un chip, allora sarebbe possibile un dispositivo di imaging fantasma a chip singolo, " disse Tanemura.