LIDAR-beeld van een karikatuur van Einstein achter een gaas met de nieuwe technologie (bovenaan) en de oude.
Stevens Institute of Technology

Nieuwe 3D-beeldvorming filtert "ruis" van zonlicht weg en levert 40.000 keer duidelijker beelden op

Amerikaanse onderzoekers hebben een nieuw 3D-beeldvormingssysteem ontworpen dat door een laser uitgestraald licht bepaalde kwantumeigenschappen geeft en enkel de teruggekaatste lichtdeeltjes met die eigenschappen opvangt, om beelden te creëren die 40.000 keer helderder zijn dan die van de huidige technologieën. Volgens de onderzoekers biedt dat ongeziene mogelijkheden voor LIDAR waarnemings- en detectiesystemen voor zelfrijdende auto's, cartografiesystemen in satellieten, communicatie ver in het heelal en medische beeldvorming van het menselijk netvlies.

Het werk van een team van het Amerikaanse Stevens Institute of Technology pakt een probleem aan met LIDAR dat al decennia oud is. LIDAR (Light Detection and Ranging) vuurt lasers af op verafgelegen doelen en vangt vervolgens het teruggekaatste licht op. 

De lichtdetectoren die gebruikt worden in deze systemen zijn gevoelig genoeg om gedetailleerde beelden te creëren op basis van slechts een paar fotonen - minuscule lichtdeeltjes -, maar het is moeilijk om een verschil te maken tussen de teruggekaatste deeltjes van het laserlicht en lichtdeeltjes uit helder achtergrondlicht, zoals zonnestralen. Die ongewenste lichtdeeltjes die de sensoren bereiken, veroorzaken 'ruis' in de gegevens, en men gebruikt nu algoritmen om die achteraf, na de waarnemingen, uit de gegevens te filteren. 

"Hoe gevoeliger onze sensoren worden, hoe gevoeliger ze ook worden voor achtergrondruis. Dat is het probleem dat we nu proberen op te lossen", zei Yuping Huang, de leider van het team en de directeur van het Center for Quantum Science and Engineering bij het Stevens Institute. 

De technologie is de eerste demonstratie in de 'echte wereld' van wat men 'single-photon noise reduction' noemt (enkelvoudig foton ruisvermindering), door middel van een methode die Quantum Parametric Mode Sorting (QPMS) heet, een methode die voor het eerst voorgesteld werd door Huang en zijn team in 2017. 

In tegenstelling met de meeste instrumenten om ruis weg te filteren, die op software gebaseerde bewerkingen achteraf gebruiken om beelden met ruis op te schonen, controleert QPMS de kwantumeigenschappen van het licht met zogenoemde 'exotic linear optics' (exotische lineaire optische middelen) om op het niveau van de lichtsensor zelf een beeld te creëren dat in exponentiële mate duidelijker is. 

Huang en zijn collega's beschrijven in hun studie een methode om bepaalde kwantumeigenschappen op een uitgaande puls laserlicht te drukken, en dan het binnenkomende licht te filteren zodat enkel lichtdeeltjes met diezelfde kwantumeigenschappen geregistreerd worden door de sensor. Lichtdeeltjes die van een andere lichtbron komen, hebben niet dezelfde kwantumeigenschappen, worden door de sensor van het systeem niet geregistreerd en veroorzaken dus ook geen ruis. 

Het resultaat is een beeldvormingssysteem dat ongelooflijk gevoelig is voor fotonen die teruggekaatst zijn door hun doelwit, maar dat zo goed als alle ongewenste 'ruisfotonen' negeert. De benadering van het team levert scherpe 3D-beelden op, zelfs als elk foton dat een signaal draagt, overschreeuwd wordt door 34 keer zoveel 'ruisfotonen'. 

(Lees verder onder de afbeelding)

3D-beelden van een karikatuur van Einstein achter een gaas (bovenaan), met de nieuwe technologie (midden) en de klassieke (onderaan).
Stevens Institute of Technology

Beter beeld van het netvlies

Een bepaald informatie dragend foton vinden tussen het geraas van de achtergrondruis is zoals proberen een enkele sneeuwvlok uit een sneeuwstorm te plukken, maar toch is dat net wat het team van Huang heeft kunnen doen, zo zeggen de onderzoekers.

"Door de initiële detectie van fotonen op te kuisen, verleggen we de grenzen van accurate 3D-beeldvorming in een omgeving vol ruis", zei Patrick Rehain, een kandidaat doctor bij Stevens en de belangrijkste auteur van de nieuwe studie. "We hebben aangetoond dat we de hoeveelheid ruis zo'n 40.000 keer beter kunnen verminderen dan de beste huidge beeldvormingstechnologieën."

Die op hardware gebaseerde benadering zou het gebruik van LIDAR kunnen vergemakkelijken in omgevingen met veel ruis waar de nabehandeling om ruis weg te filteren - die veel computervermogen vraagt - niet mogelijk is. De technologie zou ook gecombineerd kunnen worden met op software gebaseerde ruisvermindering om nog betere resultaten op te leveren. "We proberen niet te concurreren met de op software gebaseerde benaderingen - we geven hen nieuwe platformen om in te werken", zei Rehain. 

Praktisch gezien zou de QPMS ruisvermindering LIDAR kunnen toelaten om accurate, gedetailleerde 3D-beelden te maken tot op een afstand van 30 kilometer. Het zou ook gebruikt kunnen worden voor communicatie in de diepe ruimte, waar de harde schittering van de zon normaal gezien verre laserpulsen zou overstemmen. Ook in de systemen waarmee zelfrijdende auto's hun omgeving verkennen en waarnemen, kan de nieuwe technologie volgens de onderzoekers een plaats krijgen, net zoals in satellieten voor het in kaart brengen van oppervlakken. 

Misschien het meest opwindend is volgens de auteurs dat de technologie onderzoekers een duidelijker beeld kan bieden van de meest gevoelige delen van het menselijk lichaam. Door zo goed als 'ruisvrije' single-foton beeldvorming mogelijk te maken, zal het beeldvormingssysteem van Stevens onderzoekers helpen om heldere, zeer gedetailleerde beelden van het menselijk netvlies te maken, omdat de techniek bijna onzichbare, zwakke laserstralen gebruikt die de gevoelige weefsels in het oog niet zullen beschadigen. 

"Het vakgebied van de single-foton beeldvorming ontwikkelt zich snel", zei Huang. "Maar het is lang geleden sinds we zo'n grote stap voorwaarts gezien hebben in de ruisvermindering, en in de voordelen die dat zou kunnen meebrengen voor zo veel technologieën."

De studie van het team van Stevens is verleden week gepubliceerd in de vervroegde online editie van Nature Communications.  Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het Stevens Institute of Technology. 

Meest gelezen