Desenvolvimento de sistemas de imageamento de fotodetector único em alta velocidade

Abstract

Resumo: O campo de single-pixel imaging (SPI) consiste no desenvolvimento de métodos de codi cação da informação espacial de um objeto no sinal coletado por um único fotodetector, assim como as técnicas computacionais para a decodi cação dessa informação. As técnicas de SPI são ordens de grandeza mais lentas que as de imageamento tradicional, por reque rerem que a informação do conjunto de pixels seja coletada de forma cumulativa ao invés de simultaneamente, mas possuem propriedades especiais, como a capacidade de imagear através de materiais espalhadores, e podem operar em comprimentos de onda para os quais não existem câmeras disponíveis para uso. O tamanho das imagens e a velocidade com que são geradas são limitados pelos dispositivos utilizados pelas técnicas, como os moduladores espaciais de luz e dispositivos de varredura, que, até recentemente, não eram capazes de codi car informações numa taxa comparável à sensibilidade dos fotodetectores, que fornecem os dados. Neste trabalho, apresentam-se os princípios tradicionais utilizados na codi cação de informação e as limitações desse processo, que foram em grande parte superados pelo sistema recordista em velocidade, o SPI-ASAP, cuja complexa montagem experimental será descrita aqui, graças ao conhecimento dela que foi adquirido por ocasião de um intercâmbio cientí co no INRS- Canadá, onde a técnica foi criada. Em seguida, se desenvolve a teoria que resulta em uma nova classe de técnicas SPI, que codi cam a informação em taxas de variação- a Derivative Optical Imaging Technique (DOIT). A velocidade dessa técnica é limitada pelo transladador que desloca a amostra perpendicu larmente a um feixe laser, que incide sobre ela em formato de linha, sendo periodicamente bloqueado por um chopper óptico. Juntando a informação de múltiplas linhas, toma-se a derivada temporal para reconstruir a imagem. A translação da amostra ao longo de um eixo pode ser substituída pela modulação de um chopper lento, contanto que o formato do feixe não seja mais no nesse eixo. Demonstra-se então que a imagem surge ao se tomar a derivada temporal (no eixo da modulação rápida) e a diferença entre linhas vizinhas (a derivada no eixo da modulação lenta), o que fundamenta a Double DOIT (2DOIT). O tamanho da imagem e a taxa de quadros dependem apenas da relação entre as frequências de modulação e a taxa de aquisição de dados, acelerando o sistema DOIT em centenas de vezes e simpli cando a montagem do sistema, ao custo de problemas majoritariamente corrigíveis com programação. Com uma aquisição de dados de apenas 200 kS/s, foi possí vel gravar vídeos com quadros na ordem de dezenas pixels a 100 Hz, nos quais é possível distinguir detalhes em amostras em movimento. Com a mesma capacidade de aquisição do SPI-ASAP, será possível gerar imagens com dezenas a centenas de pixels a mais, em taxas de quadro superiores ao recordista, tornando-se um forte candidato para aplicações reais e em comprimentos de onda fora do espectro visível

Abstract: The eld of single-pixel imaging (SPI) consists of the development of methods for encod ing the spatial information of an object in the signal collected by a single photodetector, as well as computational techniques for decoding that information. SPI techniques are or ders of magnitude slower than traditional imaging techniques, because they require that the information from the set of pixels be collected cumulatively rather than simultane ously, but they have special properties, such as the ability to image through scattering materials, and they can operate at wavelengths for which cameras are not available. The size of the images and the speed at which they are generated are limited by the devices used by the techniques, such as spatial light modulators and scanners, which until recently were not capable of encoding information at a rate comparable to the sensitivity of the photodetectors that provide the data. This thesis presents the traditional principles used in information encoding and the limitations of this process, which have been largely over come by the speed record-breaking SPI-ASAP, whose complex setup is described in detail, based on a laboratory experience provided by an exchange internship. Then, the theory that results in a new class of SPI techniques that encode information in rates of change- the Derivative Optical Imaging Technique (DOIT) is developed. The speed of this tech nique is limited by the translator that moves the sample perpendicularly to a laser beam, which is focused on it in a line shape, and is periodically blocked by an optical chopper. By combining the information from multiple lines, the temporal derivative is taken to reconstruct the image. The translation of the sample along an axis can be replaced by the modulation of a slow chopper, as long as the beam shape is no longer thin in that axis. It is then demonstrated that the image arises by taking the temporal derivative (on the fast modulation axis) and the di erence between neighboring lines (the derivative on the slow modulation axis), which underlies the Double DOIT (2DOIT). The image size and frame rate depend only on the ratios between the modulation frequencies and the data acquisition rate, accelerating the DOIT system by hundreds of times and simplifying the system assembly, at the cost of problems mostly correctable with programming. With a data acquisition of only 200 kS/s, it was possible to record videos with frames in the order of tens of pixels at 100 Hz, in which it is possible to distinguish details in moving samples. With the same acquisition capacity as SPI-ASAP, it will be possible to generate images with tens to hundreds of more pixels, at frame rates higher than the record holder, making it a strong candidate for real applications and at wavelengths outside the visible spectrum