Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram que o método de imagem não convencional conhecido como imagem fantasma pode ser realizado usando um método de baixo custo, dispositivo de iluminação de luz baseado em chip. Este passo importante em direção à imagem fantasma baseada em chip pode tornar o método de imagem prático para aplicações como imagens biomédicas em escala de chip, detecção e alcance de luz (LIDAR), e dispositivos de detecção de internet das coisas.

Há um grande interesse na imagem fantasma porque ela pode ser realizada com um detector de pixel único de baixo custo em vez de um complexo, e normalmente caro, Câmera. Quando combinado com a abordagem computacional de detecção comprimida, a imagem fantasma também pode alcançar maior sensibilidade e imagem mais rápida do que os métodos tradicionais, especialmente em faixas de comprimento de onda não visíveis.

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , pesquisadores da Universidade de Tóquio descrevem como eles substituíram um componente óptico volumoso normalmente usado para imagens fantasma por um array de fase óptica baseado em chip (OPA) recentemente desenvolvido que mede apenas 4 por 4 milímetros.

"Se for de baixo custo, dispositivos de imagem de chip único foram comercializados que permitiriam LIDAR de baixo custo, que é a tecnologia de carros autônomos, drones e robôs autônomos usam para ver seu ambiente, "disse Takuo Tanemura, que liderou a equipe de pesquisa. "Também, pequenos dispositivos de imagem podem ser incorporados a smartphones para permitir imagens em 3D e monitoramento de saúde aprimorados. "

Mais rápido, imagem de baixo custo

A imagem fantasma funciona iluminando um objeto com padrões de manchas aleatórias que mudam com o tempo. Correlacionar a potência ótica transmitida (ou refletida) que viaja através do objeto com a distribuição de intensidade dos padrões de manchas permite que uma imagem do objeto seja obtida.

Embora esta abordagem de imagem tenha sido proposta há mais de 10 anos, os moduladores de luz espaciais volumosos e lentos usados ​​para gerar os padrões de iluminação pontilhada mantiveram a imagem fantasma restrita principalmente ao laboratório.

No novo trabalho, os pesquisadores superaram um desafio inerente à aplicação de OPAs em grande escala, que usam uma matriz de elementos de guia de onda integrados ajustáveis ​​para controlar a fase da luz. Em vez de tentar alinhar todas as fases ópticas com precisão, o que é desafiador na prática, eles projetaram um OPA no qual os elementos de controle de fase operam aleatoriamente. Isso permitiu que eles gerassem padrões de manchas que mudavam aleatoriamente e eram perfeitos para imagens fantasmas.

"Em comparação com implementações anteriores de imagem fantasma usando moduladores de ondas de luz espaciais que eram grandes e lentos (normalmente operando na faixa de quilohertz), usar um phased array integrado é muito mais compacto e oferece menor custo, "disse Tanemura." Nossa abordagem também tem o potencial de atingir velocidades operacionais superiores a gigahertz, ou seis ordens de magnitude mais rápido do que as abordagens baseadas em SLM. "

Para criar o padrão de manchas aleatórias, os pesquisadores aplicaram sinais elétricos aleatórios que mudam rapidamente a 128 elementos de deslocamento de fase integrados no OPA. Eles demonstraram imagens 2-D com mais de 90 pontos resolvíveis na direção X (determinados pelo número de deslocadores de fase) e 14 pixels na direção Y (determinados pelo número de comprimentos de onda testados). Os resultados concordaram bem com as previsões teóricas.

Menor, LIDAR mais barato

"Este tipo de dispositivo de imagem pode ser particularmente útil para LIDAR, que atualmente produz imagens 3-D usando um espelho mecânico volumoso para orientar um feixe de laser, "disse Tanemura." Estima-se que o custo, o tamanho e o tempo de resposta do LIDAR precisam ser reduzidos em 1 a 2 ordens de magnitude para serem amplamente implantados em carros não luxuosos para o mercado de massa. Um dispositivo de imagem fantasma em escala de chip poderia fazer isso. "

Os pesquisadores continuarão trabalhando para tornar a nova tecnologia ainda mais prática. Eles estão experimentando com shifters de fase eletro-ópticos que podem aumentar a operação OPA para velocidades além de gigahertz. Eles também planejam aumentar ainda mais a taxa de varredura e gostariam de integrar todos os componentes ópticos no mesmo chip que o OPA para obter imagens 2-D e 3-D sem quaisquer componentes fora do chip.

"Se conseguirmos integrar todos os componentes necessários, incluindo a fonte de luz e o detector, em um chip, então, um dispositivo de imagem fantasma de chip único seria possível, "disse Tanemura.