Лазерная камера с использованием сверхпроводящих нанопроводов для получения 3-D изображений с расстояния 1000 метров

1835
13.05.2013, 14:33

Группой учёных из университета Heriot Watt University Edinburgh (г. Эдинбург, Шотландия) создана новая камера на основе сверхпроводящих нанопроводов и лазера, способная создавать с высокой чёткостью трёхмерные изображения объектов, расположенных на расстоянии километра.

Эта технология работает следующим образом: лазер инфракрасного диапазона посылает луч низкой мощности, который охватывает снимаемый объект или сцену. Некоторое количество света отражается обратно, хотя большая его часть рассеивается в разных направлениях. Детектор измеряет время, необходимое для того, чтобы одна частица света, фотон, возвратилась к  камере, и затем можно вычислить расстояние от системы до объекта. Этот метод способен определить выпуклости и изменения в глубине с расстояния в сотни метров. В новой камере используются сверхпроводящие нанопровода - материалы, почти не обладающие сопротивлением электрическому току, которые должны быть охлаждены до исключительно низких температур. Эти сверхпроводники очень чувствительны и могут почувствовать удар даже одного единственного фотона.

Несмотря на то, что другие технологии обеспечивают исключительную глубину резкости, способность новой системы создавать изображения таких объектов, как предметы одежды, которые не очень хорошо отражают лазерные импульсы, делает её полезной при разнообразных ситуациях.

Описанная выше технология аналогична технологии дистанционных измерений LIDAR (Light Detection and Ranging или Laser Imaging Detection and Ranging) – технологии получения и обработки информации об удалённых объектах, в которой также используется лазерное излучение для измерения расстояния до различных объектов.

Используя инфракрасное излучение, камера, разработанная группой шотландских учёных под руководством профессора Геральда Буллера (Gerald Buller), способна обнаруживать широкий набор различных предметов, которые не отражают лазерные лучи достаточно хорошо, например предметы одежды. Кроме того, излучение длинноволнового инфракрасного лазера безопаснее, чем лучи других лазеров, потому что оно не вредно для глаз при сканировании.

Итак, для чего можно использовать эту новую камеру? Собираются ли автомобилисты  ездить по 3-D моделям каждого города, используя карты просмотра улиц Streetview - Google?  Смогут ли сотрудники Управления Транспортной Безопасности (США) (TSA - Transportation Security Administration) придумать что-то новое для наблюдения за вами в аэропорту?

Профессор Буллер полагает, что эта технология могла бы иметь множество различных научных применений. Такую систему можно установить на самолётах и использовать её для сканирования растительности в лесу, что поможет определить размер и состояние растений. Разработчики также планируют заставить камеру работать под водой, это даст возможность сканировать глубину океанов или озёр и определять их форму. И, конечно, камера может применяться в оборонной отрасли, например, для того, чтобы помочь беспилотным самолетам лучше видеть цели во время боевых операций. Единственный недостаток заключается в том, что человеческая кожа не отражает инфракрасный свет достаточно хорошо, поэтому лица получаются как чёрные пятна на трёхмерных изображениях. Это даёт возможность стать невидимым для камеры: просто раздеться догола.

Сверхпроводящий детектор потенциально может стать феноменальным инструментом, который, вероятно, найдёт массу областей применения, как отметил один из представителей компании Lightwave Inc. в г. Принстон, штат Нью-Джерси, не участвовавший в этой работе. Но он полагает, что, поскольку сверхпроводники должны быть охлаждены до нескольких градусов выше абсолютного нуля, достаточно проблематично внедрить эту технологию. Профессор Буллер согласен с этим, но говорит, что его команда работает над тем, чтобы использовать более традиционные полупроводники для этой системы, например, силикон, что позволит сделать эту технологию более практичной. Первоначально эта система, скорее всего, будет использоваться для сканирования статических, искусственных целей, таких как транспортные средства. После некоторой модификации программы обработки изображений можно будет также определять их скорость и направление.

Одна из ключевых характеристик системы – большая длина волны лазерного излучения, которую выбрали учёные. Это излучение имеет длину волны 1560 нанометров, это означает, что оно длиннее или «краснее», чем видимый свет, длина волны которого всего только 380-750 нанометров. Этот длинноволновой свет проходит свободнее через атмосферу, не подавляется солнечным светом и безопаснее для глаз при низкой мощности. Многие предыдущие системы ToF (Time-of-Flight), основанные на методе времени пролета, не могли определять сверхдлинные длины волн, на которые рассчитано устройство, созданное командой шотландских специалистов.  Сканер особенно подходит для идентификации объектов, укрытых какими-то помехами, например, листвой. Однако он не может отражать человеческие лица и выдаёт их как тёмные, лишенные характерных черт пятна. Это происходит потому, что на больших длинах волн, используемых этой системой, человеческая кожа не отражает достаточно большого числа фотонов для получения измерения глубины. Однако отражательная способность кожи может меняться при различных обстоятельствах. Как считают некоторые специалисты, если кожа в испарине, отраженные сигналы будут значительно мощнее. 

Кроме опознавания цели, глубинное изображение путём подсчёта фотонов может быть полезным для целого ряда научных целей, в том числе для дистанционного обследования состояния здоровья, определения объёмов растительности, движения горных пород в целях оценки потенциальной опасности. В конечном счете, новую камеру можно будет использовать для получения изображений объектов, расположенных на расстоянии 10 километров. Конечно, ясно, что система должна будет быть миниатюризирована и упрочнена, то есть, приспособлена к эксплуатации в неблагоприятных условиях. Её разработчики полагают, что лёгкий, полностью портативный сканирующий прибор для глубинного изображения может быть создан как коммерческий продукт менее чем за пять лет. 

Одна из следующих задач для разработчиков – заставить сканер работать быстрее. Несмотря на то, что данные для глубинных изображений высокой чёткости могут быть получены за считанные секунды, в настоящее время проходит от пяти до шести минут от начала сканирования до создания системой глубинного изображения. Такое отставание объясняется, главным образом, относительно медленной обрабатывающей способностью  компьютера, поэтому создатели камеры сейчас работают над сокращением времени обработки путём использования твёрдотельных дисков и более мощного компьютера, который может сократить общее время до менее минуты. В дальнейшем будут использоваться более специализированные процессоры, которые позволят ещё больше сократить время получения изображений.