Notizie su ottica e fotonica

May 18, 2023

Meeri Kim

I ricercatori hanno sviluppato un sistema lidar che utilizza la tecnologia di rilevamento quantistico per acquisire immagini 3D sott'acqua. Hanno dimostrato la tecnologia scattando un'immagine 3D (a sinistra) di un tubo (a destra). La scansione è stata ottenuta in condizioni di bassa diffusione con il sistema a singolo fotone immerso in un serbatoio. [Immagine: A. Maccarone, Università Heriot-Watt] [Ingrandisci immagine]

Ricercatori nel Regno Unito, Francia e Spagna hanno creato un sistema lidar sottomarino in grado di catturare immagini 3D in tempo reale (Opt. Express, doi: 10.1364/OE.487129). Mentre dimostrazioni simili sono state eseguite con la configurazione ottica all'esterno di un serbatoio d'acqua, l'attuale prototipo ha ottenuto con successo video tridimensionali di bersagli in movimento mentre erano completamente sommersi.

La nuova tecnologia, che si basa sul rilevamento di un singolo fotone, potrebbe essere utilizzata per ispezionare installazioni sottomarine come i parchi eolici offshore, per monitorare o esaminare siti archeologici sommersi o per applicazioni di sicurezza e difesa.

L'imaging ottico ad alta risoluzione nell'acqua torbida rimane problematico a causa dell'assorbimento e della diffusione, che causano una significativa attenuazione del segnale in distanze di propagazione relativamente brevi. In un lavoro precedente, Aurora Maccarone, dell’Università Heriot-Watt, nel Regno Unito, e i suoi colleghi hanno riportato il primo utilizzo di tecniche di rilevamento di singoli fotoni per l’imaging subacqueo, che consentono una penetrazione molto elevata attraverso l’acqua torbida.

"Misurando il tempo di volo degli impulsi luminosi, siamo stati in grado di ricostruire immagini tridimensionali di oggetti sottomarini", ha detto l'autore dello studio Maccarone. "Questo [ultimo studio] rappresenta un progresso in quanto, per quanto ne sappiamo, si tratta del primo prototipo di un sistema di imaging completamente sommerso basato su tecnologie di rilevamento quantistico."

Gli esperimenti precedenti condotti dal suo team e da altri gruppi venivano sempre eseguiti in condizioni di laboratorio attentamente controllate, con la configurazione ottica posizionata all'esterno di un serbatoio d'acqua e l'analisi dei dati eseguita offline. Ora, non solo la configurazione ottica è sott'acqua, ma gli sviluppi hardware e software realizzati da Maccarone e dai suoi colleghi consentono di ricostruire le immagini 3D in tempo reale.

Il sistema comprendeva un laser a impulsi verdi (532 nm, 20 MHz) per l'illuminazione e una serie ultrasensibile (192 × 128 pixel) di diodi a valanga a fotone singolo per il rilevamento, insieme a un pacchetto di collimazione in fibra, diffusore ottico, lenti e passa-banda filtri. Misurando il tempo di ritorno della luce riflessa, è possibile misurare con precisione la distanza dal bersaglio.

Il prototipo ha ottenuto immagini di bersagli stazionari a distanze di 3 m, nonché dimostrazioni video 3D in tempo reale di bersagli in movimento a 10 fotogrammi al secondo.

"La serie di rilevatori a fotone singolo offre il vantaggio di un rilevamento ultraveloce di eventi in condizioni di scarsa illuminazione, riducendo considerevolmente i tempi delle operazioni in ambienti privi di fotoni, come in acque profonde", ha affermato Maccarone.

Dopo aver assemblato e testato la configurazione ottica su un banco da laboratorio, i ricercatori hanno spostato l'attrezzatura in un grande serbatoio d'acqua (4 × 3 × 2 m). Hanno immerso il sistema in acqua e hanno aggiunto un agente di dispersione in modo controllato per rendere l'acqua più torbida. Il prototipo ha ottenuto immagini di bersagli stazionari a distanze di 3 m, nonché dimostrazioni video 3D in tempo reale di bersagli in movimento a 10 fotogrammi al secondo.

"Attualmente la sfida principale è capire come ridurre le dimensioni di ciascun componente per poter integrare il sistema di imaging su un veicolo subacqueo", ha affermato Maccarone. "Stiamo collaborando con l'industria per trovare una soluzione adeguata che renda tutto ciò possibile senza compromettere le prestazioni del sistema."

Data di pubblicazione: 10 maggio 2023