Teadlane tutvustab tuleviku tehnoloogiat: viirastuslik valgus annab kaamerale supervõimed

FOTO: Pm

Uudne Tartu Ülikoolis arendatav tehnoloogia võimaldab spetsiaalse kaameraga pildistada nurga taha ning saada pildi objektist mida kaamera vaateväljas ei ole, kirjutab TÜ füüsikalise optika vanemteadur Heli Lukner.

Eesti Noorte Teaduste Akadeemia algatatud artiklisarjas «Milleks meile alusteadused?» tutvustavad erinevate valdkondade teadlased oma erialasid ning selgitavad, kuidas uudishimu poolt juhitud teadus võimaldab nihutada inimkonna teadmiste piire.

Lapsepõlves on lubatud julgelt unistada supervõimetest nagu lendamine, nähtamatuks muutumine, teleporteerumine, ajas rändamine, läbi seina vaatamine, nurga taha nägemine ja palju muud. Teaduse ja tehnoloogia ajalugu näitab, et suurte jõupingutustega on inimkonna helgematel peadel õnnestunud mõned neist unistustest ellu viia.

Tänane tegelikkus - lennukid, mobiiltelefonid, arvutid, kodutehnika ning kaasaegne meditsiin, on kunagi olnud unistused. Nüüd töötavad teadlased üle maakera selle kallal, et valmistada vesinikust praktiliselt piiramatut energiaallikat, ravida vähki, lennata Marsile, luua ülikiire kvantarvuti ning valmistada nn nähtamatuks tegevaid materjale… ning see loetelu on kaugel ammendavast.

Järgnevas uurime, kuidas vaadata nurga taha. Tuleb välja, et selleks on mitu võimalust. Kõigil juhtudel tuleb kokku koguda peidus olevalt esemelt hajuv valgus, ning eseme kujutis saadakse mahukate arvutuste teel.

Vaatame lähemalt lahendust, kus peidus oleva eseme valgustamiseks kasutatakse lühikesi valgussähvatusi. Kui suudame ära mõõta aja, mis kulub valgusel esemeni ja tagasi detektori juurde levimiseks, saame arvutada eseme kauguse. Mida lühemad on valgussähvatused, seda täpsemalt saame teada eseme kauguse. Valgus levib kiirusega 300 000 km/s. Selle ajaga, mil jõuame silma pilgutada, teeb valgus mitu ringi ümber maakera. 3 meetri läbimiseks kulub valgusel 10 nanosekundit. Näiteks fotoaparaadi välk kestab umbes 1 millisekundi, mis on 100 tuhat korda pikem ajavahemik. Nurga taha jääva eseme valgustamiseks tasub võtta laser, mille sähvatused on fotokaamera välgu kestusest enam kui kümme miljonit korda lühemad.

Nurga taga olevale esemele me ligi ei saa, seega ei valgusta eset laseri sähvatused otse, vaid läbi osalise peegeldumise seinalt (vt joonist). See omakorda peegeldub osaliselt esemelt uuesti seinale ning sealt detektorile, mis valgust mõõdab. Kuna seinad on krobelised ja hajutavad suure osa valgusest, on sel moel tagasi hajunud valgus väga nõrk. Sellise nõrga valguse mõõtmiseks on vaja väga tundlikku detektorit. Õnneks on sellised detektorid olemas, mis mõõdavad väga nõrga valguse, üksikute valgusosakeste ehk footonite lennuaega. Aga, sageli on nendel detektoritel kas üksainus või väga vähe piksleid. Piksel on detektori valgustundlik element. Fotokaamera detektoris on miljoneid piksleid ning nende abil saame ilusad teravad pildid. Väikese arvu pikslite korral on jääb pildile väga vähe detaile.

Tuleb välja, et valgusteadus pakub lahenduse ka selleks, kuidas ühte ainsat pikslit omava detektoriga eset pildistada. Me oleme harjunud valgustama eset ühest allikast ja tegema pilti mitme-miljoni-pikslise kaameraga. Selgub, et me võime teha ka vastupidi. Kasutada valgustamiseks suurt hulka valgustatud täppe, mis moodustavad valgusmustri (mõned näited on toodud joonisel 2) ja koguda esemelt tagasi hajuv valgus ühele ainsale pikslile. Üksainus mõõtmine ühepikslise kaameraga ei anna pilti. Mõõtmisi tuleb korrata erinevate mustritega ning nende põhjal saab välja arvutada, milline on uuritav ese.

Joonis 2: valgusmustrid (väljavõte teadusartiklist Computational ghost imaging using the native aspect ratio of a digital light projector”, J. Ariva, A. Valdmann, J. Bogdanov, SPIE Digital Optical Technologies II, 24 - 26 June 2019. München, Germany)

FOTO: SPIE Digital Optical Technologies II

Teadmine, et sedasi saab esemest pilti teha, sündis kvantoptika vallas ja oli niivõrd ootamatu, et meetod sai nimeks kummituskuva (ghost imaging). Justkui viirastuslik valgus. Tänaseks on  teada, et ka nn tavalise ehk klassikalise valgusega saab teha ühepikslise kaameraga pilte ja mõni koolkond selgitab seda nähtust lihtsalt valguse levimise suuna pööratavusega.

Kummituskuva abil näeme esemeid juba väga väikese footonite arvu korral. Pilt on küll mürane ent muutub üha selgemaks, mida rohkem footoneid kogume. Võrdluseks, 15W võimsusega LED lamp kiirgab sekundis umbes 2x10^19 footonit.

FOTO: Jan Bogdanov, magistritöö, Tartu Ülikool 2019

Tuleme tagasi nurga taha vaatamise juurde. Juhul, kui meil on objekt nurga taga ja kaameral on ainult üksainus piksel, siis valgustame objekti erinevate valgusmustritega - vormime valgust - ning mõõdame tagasi hajunud valguse tugevust ja arvutame mustrite jaotuse ning mõõdetud andmete abil eseme kujutise.

Arvutamisel on nurga taha vaatamise juures tähtis osa pildi saamisel. Fotokaamera saab ühe säritusega ilusa pildi, ainult vahel vajab see lisatöötlust. Keerulistes tingimustes, kus on kas vähe valgust, ese on väga väike, kasutatakse ebaharilikku tajurit, soovitakse saada väga kõrget lahutust jne on pildid sageli väga mürased või hägused. Samuti võib neid müraseid andmeid olla väga palju. Nendes oludes esemete «pildistamiseks» on leitud hulgaliselt meetodeid, kuidas arvutuste ja andmete töötlemise algoritmide abil teravaid või lausa kolmemõõtmelisi pilte luua - see on arvutuslik kuva. Arvutustega saab eemaldada ka kaamera värisemisest tulenevat hägusust või kombineerida madala lahutusega nihutatud kaadritest terav kaader. Arvutusliku kuva ehk arvutusmahuka pildistamise abil saab lugeda näiteks ka suletud ümbrikus olevat kirja, vaadata ka läbi hajutava keskkonna, näiteks naha alla, või läbi atmosfääri, mis valguskiiri painutab-kallutab.

FOTO: ETAG

Nägime, et nurga taha vaatamine on võimalik, kuid nõuab omajagu tarka tööd ja tehnikat. Teadlased arendavad seda tehnoloogiat ohtude vältimiseks keerulistes olukordades. Näiteks selleks, et uurida varju jäävate Kuu kraatrite sisemust või tuvastada hoonetest terroriste. Lisaks eelnevale aitab kirjeldatud tehnika ka mehitamata, isejuhtivatel maismaasõidukitel liigelda senisest turvalisemalt, tuvastades objekte läbi udu, suitsu või lumesaju ning hinnata veekogu sügavust.

Järgneva 5 aasta jooksul suunab Tartu Ülikool valgusteaduse arengusse enam kui 2,5 miljonit eurot. Tegemist on sihtotstarbelise rahastusega Euroopa Komisjonilt, kus ERA Chair’i projekti toel liitub kohalike uurimisrühmadega antud valdkonna tippteadlane ning Tartu Ülikooli luuakse Valgusteaduse Keskus. Kogu projekti laiem eesmärk on tõsta Eesti majanduse konkurentsivõimet ja luua meie talentidele senisest paremad võimalused panustada globaalsesse innovatsiooni.

Tagasi üles