Câmera precisa de apenas 1 fóton por píxel

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/08/2016

O modelo (1), o fluxo de dados brutos da iluminação, conforme coletado pelo sensor (2) e a imagem reconstruída (3). [Imagem: Dongeek Shin et al. - 10.1038/ncomms12046]

Pingos de luz

Quando você tira uma foto com sua câmera digital, cada píxel do sensor da câmera, chamado CCD, detecta trilhões de fótons.

Quando faltam fótons, a imagem perde a nitidez - é por isso que é tão difícil captar uma boa imagem à noite ou em um ambiente pouco iluminado.

Agora, pesquisadores criaram uma maneira de renderizar uma imagem medindo as distâncias até a cena usando apenas um fóton por píxel.

"É natural pensar na intensidade da luz como uma quantidade contínua, mas quando você começa a lidar com quantidades muito pequenas de luz, então a natureza quântica subjacente torna-se significativa", explica Vivek Goyal, da Universidade de Boston, nos EUA.

"Quando você usa o tipo certo de modelagem matemática para a detecção de fótons individuais, você pode dar o salto para a formação de imagens de qualidade útil a partir de quantidades extremamente pequenas de luz detectada," acrescentou.

Sensor de fóton único

Para produzir imagens com cerca de um fóton por píxel, a equipe usou componentes fotossensíveis chamados SPAD - Single Photon Avalanche Photodiodes, ou fotodiodos de fóton único baseados no efeito avalanche.

Tecnicamente conhecido como "fenômeno da multiplicação das cargas", o efeito avalanche foi descoberto recentemente, e gerou muito ceticismo na comunidade científica, até que esse milagre da multiplicação dos elétrons foi demonstrado de forma prática em células solares.

Agora ele foi demonstrado também na captura de imagens, com um protótipo de câmera mais fino que uma moeda, contendo uma matriz de 1.024 píxeis que fazem várias medições simultaneamente, permitindo uma aquisição de dados eficiente e rápida.

A configuração experimental usa pulsos de laser infravermelho e uma lâmpada incandescente comum para iluminar a cena, de forma a ter um mecanismo de medição e uma forte fonte de luz de longo alcance.

Os sensores captam as duas fontes de luz a cada pulso do laser e um algoritmo analisa os dados brutos e os interpreta para formar uma imagem da cena. O resultado é uma imagem reconstruída, montada a partir de partículas individuais de luz.

Carros sem motorista

Embora câmeras com sensores de fóton único não devam estar no mercado tão já, a equipe afirma que a técnica apresenta possibilidades interessantes para o sensoriamento remoto de longo alcance, mapeamento de ambientes e, sobretudo, nos carros de autocondução, ou sem motorista, onde a velocidade de aquisição de dados é crítica.

Bibliografia:

Photon-efficient imaging with a single-photon camera
Dongeek Shin, Feihu Xu, Dheera Venkatraman, Rudi Lussana, Federica Villa, Franco Zappa, Vivek K. Goyal, Franco N. C. Wong, Jeffrey H. Shapiro
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 12046
DOI: 10.1038/ncomms12046