Un nouvel appareil photo peut vous photographier à 45 kilomètres de distance

Images de papier Imagerie 3D computationnelle à photon unique à 45 km

La photographie à longue distance sur Terre est un défi délicat. Capturer suffisamment de lumière d'un sujet à de grandes distances n'est pas facile. Et même alors, l'atmosphère introduit des distorsions qui peuvent ruiner l'image ; il en va de même pour la pollution, qui est un problème particulier dans les villes. Il est donc difficile d'obtenir tout type d'image au-delà d'une distance de quelques kilomètres environ (en supposant que la caméra soit montée suffisamment haut par rapport au sol pour faire face à la courbure de la Terre).

Mais depuis quelques années, les chercheurs ont commencé à exploiter des photodétecteurs sensibles pour faire beaucoup mieux. Ces détecteurs sont si sensibles qu'ils peuvent capter des photons uniques et les utiliser pour reconstituer des images de sujets jusqu'à 10 kilomètres (six milles).

Néanmoins, les physiciens aimeraient s'améliorer encore plus. Et aujourd'hui, Zheng-Ping Li et ses collègues de l'Université des sciences et technologies de Chine à Shanghai montrent comment photographier des sujets jusqu'à 45 km (28 miles) dans un environnement urbain en proie au smog. Leur technique utilise des détecteurs à photon unique combinés à un algorithme d'imagerie informatique unique qui permet d'obtenir des images à très haute résolution en assemblant les points de données les plus clairsemés.

La nouvelle technique est relativement simple dans son principe. Il est basé sur la télémétrie et la détection laser, ou lidar, éclairant le sujet avec une lumière laser, puis créant une image à partir de la lumière réfléchie.

Le grand avantage de ce type d'imagerie active est que les photons réfléchis par le sujet reviennent vers le détecteur dans une fenêtre temporelle spécifique qui dépend de la distance. Ainsi, tous les photons qui arrivent en dehors de cette fenêtre peuvent être ignorés.

Ce déclenchement réduit considérablement le bruit créé par les photons indésirables provenant d'ailleurs dans l'environnement. Et cela permet aux systèmes lidar d'être très sensibles et spécifiques à la distance.

Pour rendre le nouveau système encore meilleur dans les environnements urbains, Zheng-Ping et co utilisent un laser infrarouge avec une longueur d'onde de 1550 nanomètres, un taux de répétition de 100 kilohertz et une puissance modeste de 120 milliwatts. Cette longueur d'onde rend le système sans danger pour les yeux et permet à l'équipe de filtrer les photons solaires qui autrement submergeraient le détecteur.

Les chercheurs envoient et reçoivent ces photons à travers le même appareil optique, un télescope astronomique ordinaire avec une ouverture de 280 mm. Les photons réfléchis sont ensuite détectés par un détecteur à photon unique du commerce. Pour créer une image, les chercheurs scannent le champ de vision à l'aide d'un miroir piézo-commandé qui peut s'incliner vers le haut, vers le bas et d'un côté à l'autre.

De cette façon, ils peuvent créer des images en deux dimensions. Mais en modifiant les synchronisations de déclenchement, ils peuvent capter des photons réfléchis à différentes distances pour créer une image 3D.

La dernière avancée réalisée par l'équipe consiste à développer un algorithme qui assemble une image à l'aide des données d'un seul photon. Ce type d'imagerie informatique a progressé à pas de géant ces dernières années, permettant aux chercheurs de créer des images à partir d'ensembles de données relativement petits.

Les résultats parlent d'eux-mêmes. L'équipe a installé la nouvelle caméra au 20e étage d'un immeuble sur l'île de Chongming à Shanghai et l'a dirigée vers le bâtiment de l'aviation civile de Pudong de l'autre côté de la rivière, à environ 45 km.

Les images conventionnelles prises au télescope ne montrent rien d'autre que du bruit. Mais la nouvelle technique produit des images avec une résolution spatiale d'environ 60 cm, ce qui résout les fenêtres des bâtiments. Ce résultat démontre la capacité supérieure du système LiDAR à photon unique proche infrarouge à résoudre les cibles à travers le smog, selon l'équipe.

C'est aussi nettement mieux que la limite de diffraction conventionnelle de 1 mètre à 45 km, et certainement mieux que d'autres algorithmes récemment développés. L'image ici montre le potentiel de la technique dans des images prises en plein jour à une distance de 21 km. Selon Zheng-Ping et co.

C'est un travail intéressant qui a un large éventail d'applications. L'équipe mentionne la télédétection, la surveillance aéroportée et la reconnaissance et l'identification des cibles. En effet, l'ensemble de l'appareil a à peu près la taille d'une grande boîte à chaussures et est donc relativement portable.

Et Zheng-Ping et co disent qu'il peut être considérablement amélioré. Notre système est réalisable pour l'imagerie à quelques centaines de kilomètres en affinant la configuration, et représente donc une étape importante vers un LiDAR rapide, à faible puissance et à haute résolution sur des portées extra-longues, disent-ils.

Alors gardez le sourire, ils vous regardent peut-être.

Réf : arxiv.org/abs/1904.10341 : Imagerie 3D computationnelle monophotonique à 45 km

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