Voor de eerste keer, onderzoekers hebben aangetoond dat de niet-conventionele beeldvormingsmethode die bekend staat als spookbeeldvorming kan worden uitgevoerd met een goedkope, op een chip gebaseerd lichtverlichtend apparaat. Deze belangrijke stap in de richting van op chips gebaseerde spookbeeldvorming zou de beeldvormingsmethode praktisch kunnen maken voor toepassingen zoals biomedische beeldvorming op chipschaal, lichtdetectie en -bereik (LIDAR), en internet-of-things-detectieapparaten.

Er is veel belangstelling voor spookbeeldvorming omdat het kan worden uitgevoerd met een goedkope single-pixel detector in plaats van een complexe, en meestal duur, camera. In combinatie met de gecomprimeerde sensing computationele benadering, spookbeeldvorming kan ook een hogere gevoeligheid en snellere beeldvorming bereiken dan traditionele methoden, vooral in niet-zichtbare golflengtebereiken.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , onderzoekers van de Universiteit van Tokio beschrijven hoe ze een omvangrijke optische component die doorgaans wordt gebruikt voor spookbeeldvorming hebben vervangen door een nieuw ontwikkelde op chips gebaseerde optische phased array (OPA) die slechts 4 bij 4 millimeter meet.

"Als het goedkoop is, beeldvormende apparaten met één chip werden gecommercialiseerd, waardoor goedkope LIDAR mogelijk zou zijn, dat is de technologie zelfrijdende auto's, drones en autonome robots gebruiken om hun omgeving te zien, " zei Takuo Tanemura, die het onderzoeksteam leidde. "Ook, kleine beeldvormende apparaten kunnen worden ingebed in smartphones om verbeterde 3D-beeldvorming en monitoring van de gezondheidszorg mogelijk te maken."

sneller, goedkopere beeldvorming

Ghost imaging werkt door een object te verlichten met willekeurige spikkelpatronen die in de loop van de tijd veranderen. Door het uitgezonden (of gereflecteerde) optische vermogen dat door het object reist te correleren met de intensiteitsverdeling van de spikkelpatronen, kan een beeld van het object worden verkregen.

Hoewel deze beeldvormingsbenadering meer dan 10 jaar geleden werd voorgesteld, de omvangrijke en langzame ruimtelijke lichtmodulatoren die worden gebruikt om de spikkelverlichtingspatronen te genereren, hebben ervoor gezorgd dat spookbeeldvorming meestal beperkt blijft tot het laboratorium.

In het nieuwe werk de onderzoekers overwonnen een inherente uitdaging bij het toepassen van grootschalige OPA's, die een reeks instelbare geïntegreerde golfgeleiderelementen gebruiken om de lichtfase te regelen. In plaats van te proberen alle optische fasen precies uit te lijnen, wat in de praktijk lastig is, ze ontwierpen een OPA waarin de faseregelelementen willekeurig werken. Hierdoor konden ze willekeurig veranderende spikkelpatronen genereren die perfect waren voor spookbeeldvorming.

"Vergeleken met eerdere implementaties van spookbeeldvorming met behulp van ruimtelijke lichtgolfmodulatoren die groot en langzaam waren (meestal werkend in het kilohertz-bereik), het gebruik van een geïntegreerde phased array is veel compacter en biedt lagere kosten, "zei Tanemura. "Onze aanpak heeft ook het potentieel om operationele snelheden van meer dan gigahertz te bereiken, of zes orden van grootte sneller dan op SLM gebaseerde benaderingen."

Om het willekeurige spikkelpatroon te maken, de onderzoekers pasten snel veranderende willekeurige elektrische signalen toe op 128 geïntegreerde faseverschuiverelementen op de OPA. Ze demonstreerden 2D-beeldvorming met meer dan 90 oplosbare punten in de X-richting (bepaald door het aantal faseverschuivers) en 14 pixels in de Y-richting (bepaald door het aantal geteste golflengten). De resultaten kwamen goed overeen met theoretische voorspellingen.

Kleiner, goedkoper LIDAR

"Dit type beeldvormingsapparaat kan bijzonder nuttig zijn voor LIDAR, die momenteel 3D-beelden produceert met behulp van een omvangrijke mechanische spiegel om een ​​laserstraal te sturen, " zei Tanemura. "Er wordt geschat dat de kosten, omvang en responstijd van LIDAR moet met 1 tot 2 ordes van grootte worden verminderd om op grote schaal te worden ingezet in niet-luxe auto's voor de massamarkt. Een spookbeeldapparaat op chipschaal zou dit kunnen bereiken."

De onderzoekers blijven werken aan het nog praktischer maken van de nieuwe technologie. Ze experimenteren met elektro-optische faseverschuivers die de OPA-werking zouden kunnen verhogen tot snelheden boven gigahertz. Ze zijn ook van plan om de scansnelheid verder te verhogen en willen alle optische componenten op dezelfde chip als de OPA integreren om 2D- en 3D-beeldvorming te bereiken zonder externe componenten.

"Als we alle benodigde componenten kunnen integreren, inclusief de lichtbron en detector, op een chip, dan zou een spookbeeldapparaat met één chip mogelijk zijn, ' zei Tanemura.