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Câmera fotografa na penumbra

Técnica computadorizada reconstroi imagens 3D a partir de fótons individuais refletidos por objetos mal iluminados

Kirmani, A. e outros/Science
 Um processo que envolve vários passos remove o ruído de uma varredura laser feita pela detecção de um único fóton para cada pixel, produzindo uma imagem tridimensional. 

Por Ron Cowen e Revista Nature

Isso é que é ver o lado escuro da vida. Pesquisadores obtiveram imagens ultranítidas de objetos fracamente iluminados usando uma quantidade mínima de fótons: matematicamente unindo informações de partículas individuais de luz registradas por cada pixel de um detector de estado sólido.

É provável que a conquista ajude estudos com materiais biológicos frágeis, como o olho humano, que podem ser danificados ou destruídos por altos níveis de iluminação. O desenvolvimento também poderia ter aplicações na vigilância militar, como em câmeras espiãs que registram uma cena com iluminação mínima para evitar detecção.

Para criar imagens detalhadas usando fótons individuais, o engenheiro elétrico Ahmed Kirmani do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge, e colaboradores desenvolveram um algoritmo que leva em conta correlações entre partes próximas de um objeto iluminado, além da física de medidas com pouca luz. Os pesquisadores descreveram seu trabalho em 28 de novembro, na Science.

“A quantidade de informações que eles conseguiram extrair é realmente incrível”, comenta o físico experimental John Howell, da University of Rochester em Nova York, que não participou do estudo.

“Nós não inventamos um laser novo, e nem um detector novo”, aponta Kirmani. Ao contrário: ele explica que sua equipe aplicou um novo algoritmo de imageamento que pode ser usado com um detector de fótons padrão.

 Luz das sombras

No experimento da equipe, pulsos de luz laser de baixa intensidade escaneiam um objeto de interesse. O laser dispara um pulso contra um local determinado até que um único fóton refletido seja registrado por um detector; cada local iluminado corresponde a um pixel na imagem final.

Variações no tempo necessário para que fótons dos pulsos laser sejam refletidos pelo objeto fornecem informações sobre a profundidade do corpo – uma maneira padrão de revelar estruturas tridimensionais. O algoritmo desenvolvido por Kirmani e seus colegas, porém, fornece essa informação usando 1/100 do número de fótons necessários pela detecção luminosa existente e por técnicas de LIDAR, que são comumente usadas em mapeamentos ou para medir a biomassa de florestas, por exemplo.

“O artigo ilustra alguns exemplos memoráveis dessa nova técnica de imageamento computadorizado, e poderia apontar uma direção futura para várias abordagens de imageamento de fótons individuais”, observa o especialista em fotõnica Gerald Buller, da Heriot-Watt University em Edimburgo, no Reino Unido, que não se envolveu no estudo.

Como o laser produz luz com um único comprimento de onda, a técnica produz imagens monocromáticas mas, até certo ponto, consegue distinguir materiais diferentes com base na taxa com que refletem a cor do laser. Em média, regiões mais escuras exigem um número maior de pulsos até que um fóton seja refletido.

Para simular condições do mundo real, os pesquisadores usaram uma lâmpada incandescente que criou um número de fótons espalhados pelo fundo da imagem aproximadamente igual ao número de fótons refletidos. Para eliminar o ruído, a equipe usou vários algoritmos, que permitiram que eles produzissem imagens tridimensionais em alta resolução usando um total de aproximadamente um milhão de fótons. Em comparação, uma imagem de qualidade semelhante obtida pela câmera de um celular sob a iluminação de um escritório precisaria de algumas centenas de trilhões de fótons, calcula Kirmani. 

 Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 28 de novembro de 2013.