Mokslininkai sukūrė nago dydžio lustą, gebantį atskirti susimaišiusią šviesą: kuo tai svarbu?

Sekite TechNaujienos Google

Šviesa gali ne tik perduoti informaciją, bet ir padėti ją apdoroti. Stanfordo universiteto mokslininkai su tarptautiniais partneriais sukūrė mažytį optinį lustą, gebantį atskirti susimaišiusią kelių šviesos šaltinių spinduliuotę. Toks pasiekimas gali būti svarbus mikroskopijai, astronomijai ir kitoms technologijoms, kuriose reikia iš labai sudėtingo šviesos signalo išskirti naudingą informaciją.

Lapkričio 2 d. Stanfordo universiteto pranešime rašoma, kad mokslininkai išbandė nago dydžio fotoninį lustą, kuris dirba kartu su specialiu šviesos atskyrimo algoritmu. Bandymuose pavyko iš dalies tarpusavyje susietos arba nekoherentinės spinduliuotės mišinio atskirti dviejų ir trijų skirtingų įėjimo šaltinių indėlį. Tai laboratorinis eksperimentas, o ne jau parduodamas telefono kameros lustas.

Norint suprasti pasiekimo esmę, reikia žinoti šviesos koherentiškumo sąvoką. Lazeris dažnai skleidžia gerai tarpusavyje suderintas bangas, o lemputės, žvaigždės ir daugelis natūralių šaltinių spinduliuoja kur kas netvarkingesnį, nekoherentinį signalą. Kai keli tokie šaltiniai patenka į vieną optinę sistemą, jų poveikį atskirti ne visada lengva.

Kodėl skirtingų šaltinių šviesą sunku atskirti?

Įprastoje kameroje kiekvienas pikselis matuoja į jį patekusios šviesos intensyvumą. Tačiau informacija apie tai, kokia konkreti bangų dalis atkeliavo iš vieno ar kito šaltinio, gali būti prarasta. Naujas optinis komponentas padeda spręsti šią problemą dar prieš galutinį matavimą, šviesą nukreipdamas į tam tikrus atskiriamus kanalus.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 56 minutės

10 trilijonų operacijų per sekundę ir mažiau nei 3 W: naujas DI lustas skirtas robotams ir dronams

4 min. skaitymo • prieš 57 minutės

Lustų gamintojas „Lattice“ paskelbė apie 118 proc. pajamų šuolį: DI paklausa keičia rinką

4 min. skaitymo • prieš 57 minutės

DI duomenų centrų paklausa išaugino „onsemi“ pajamas 175 proc.: paskelbtas ir 5,7 mlrd. dolerių sandoris

Visi naujausi straipsniai →

Fotoniniuose lustuose šviesos srautas valdomas mikroskopinėmis struktūromis, kurios veikia kaip bangolaidžiai, dalikliai ar interferencijos elementai. Tokie įrenginiai skiriasi nuo įprastų elektroninių procesorių, nes jų pagrindinis signalas yra fotonai, o ne laidininkais judantys elektronai. Tai nereiškia, kad visos elektronikos funkcijos gali būti pakeistos vien šviesa.

Stanfordo ir Austrijos mokslo bei technologijų instituto tyrėjai parodė, kad fizinio lusto ir skaitmeninio algoritmo derinys gali išplėsti optinių matavimų galimybes. Vien algoritmu gautas vaizdas priklauso nuo jau užfiksuotų duomenų, o optinis apdorojimas leidžia dalį informaciją išsaugančių veiksmų atlikti dar prieš šviesai pasiekiant jutiklį.

Viena iš galimų taikymo sričių – mikroskopija. Biologiniai mėginiai neretai skleidžia arba išsklaido šviesą taip, kad skirtingos struktūros prisideda prie to paties signalo. Geresnis atskyrimas galėtų padėti matyti detales, kurias anksčiau užgoždavo kiti šviesos komponentai. Tačiau tam reikės patikrinti sistemą su realiais biologiniais mėginiais ir skirtingomis optinėmis sąlygomis.

Astronomijoje problema panaši: silpno objekto signalą gali slėpti ryškesnių šaltinių spinduliuotė. Nauji optinio signalo apdorojimo būdai potencialiai galėtų padėti atskirti šviesą, tačiau negalima teigti, kad šis konkretus mažas lustas jau veikia kuriame nors kosminiame teleskope. Kol kas kalbama apie technologijos principo demonstravimą laboratorijoje.

Kur naujoji fotonikos technologija galėtų būti naudinga?

Dar vienas klausimas – mastelis. Atpažinti du ar tris įėjimo šaltinius yra svarbus bandymas, bet tikriems prietaisams gali prireikti apdoroti šimtus ar daugiau sudėtingų signalų. Būsimi bandymai turės parodyti, kaip lusto tikslumas keičiasi daugėjant šaltinių, esant triukšmui ir skirtingam apšvietimui.

Optiniai lustai gali dominti ir DI infrastruktūros kūrėjus, nes ieškoma būdų, kaip greičiau bei efektyviau apdoroti didelius duomenų kiekius. Tačiau šis Stanfordo darbas neturi būti pateikiamas kaip tiesioginis naujo DI spartintuvo pristatymas. Tai fundamentali optinio signalų apdorojimo technologija, kurios pritaikymo kryptys platesnės.

Anksčiau aprašėme lazeriu įrašomos atminties tyrimus, kurie taip pat rodo, kaip šviesos savybės panaudojamos technologijoms. O straipsnyje apie fotoninius „Q.ANT“ lustus nagrinėjome jau kitą šviesa pagrįsto skaičiavimo kryptį.

Naudojant tokias sistemas svarbu ir optinio signalo intensyvumo ribos. Jei šviesos šaltinis yra itin silpnas, kiekvienas papildomas optinis komponentas gali sumažinti jutiklį pasiekiančių fotonų skaičių. Todėl didesnis signalo atskyrimo tikslumas turės būti derinamas su šviesos nuostoliais, gamybos stabilumu ir prietaiso kaina. Tik šie testai parodytų, ar sprendimą verta taikyti praktikoje.

Galiausiai būtina atskirti paties lusto dydį nuo viso bandymo įrenginio. Nago dydžio komponentui laboratorijoje gali reikėti šviesos šaltinių, valdymo elektronikos ir jutiklių. Todėl mažas fotoninis lustas dar nereiškia, kad visas instrumentas lengvai tilps telefone. Tai technologijos ateities kryptis, o ne jau įvykusi vartotojų elektronikos revoliucija.

Taigi naujienos esmė ne stebuklingas lustas, galintis savaime „pagerinti visas nuotraukas“, o tikslus laboratorinis pasiekimas: mažame įrenginyje demonstruotas iš dalies susimaišiusių šviesos šaltinių išskyrimas. Norint jį paversti praktiniu įrankiu, dar reikės tolesnių matavimų, gamybos ir integravimo į sudėtingas optines sistemas.

Nuotrauka: Tal b2, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. Tikro fotoninio lusto iliustracinis vaizdas; jis nėra Stanfordo aprašyto eksperimentinio prototipo nuotrauka.