Hacer fotografías a gran distancia es un desafío difícil en la Tierra. Capturar suficiente luz de un sujeto a grandes distancias no es fácil. E incluso si se logra, la atmósfera genera distorsiones que pueden afectar la imagen; lo mismo ocurre con la contaminación, un problema muy típico de las ciudades. Esto dificulta la captura de cualquier tipo de imagen más allá de una distancia de unos pocos kilómetros (y eso, siempre y cuando la cámara esté lo suficientemente lejos del suelo para seguir la curvatura de la Tierra).

Para mejorar esto, en los últimos años, los investigadores han comenzado a usar unos fotodetectores sensibles, tanto, que pueden captar fotones individuales y combinarlos para lograr imágenes de sujetos a una distancia de hasta 10 kilómetros.

Sin embargo, a los físicos les encantaría mejorar aún más. Y eso es justo lo que acaba de conseguir el investigador en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Shanghái Zheng-Ping Li y sus colegas. En un reciente artículo, los investigadores demuestran una técnica con la que es posible fotografiar sujetos a una distancia de hasta 45 kilómetros en un entorno urbano evuelto por  nube tóxica. Su técnica utiliza detectores de un solo fotón combinados con un algoritmo especial de imagen computacional que crea imágenes de resolución superalta al juntar los puntos de datos más dispersos.

La nueva técnica es relativamente sencilla. Se basa en el alcance y la detección láser, o en la iluminación LIDAR del sujeto con una luz láser, con la que crea una imagen a partir de la luz reflejada.

La gran ventaja de este tipo de imagen es que los fotones que refleja el sujeto regresan al detector dentro de una ventana de tiempo específica que depende de la distancia. Cualquier fotón que llegue fuera de esta ventana puede ser ignorado.

Esta "compuerta" reduce muchísimo el ruido creado por fotones no deseados de otras partes del ambiente. Y permite que los sistemas LIDAR sean altamente sensibles y específicos a distancia.

Para que el nuevo sistema sea aún mejor en entornos urbanos, Zheng-Ping utiliza un láser infrarrojo con una longitud de onda de 1.550 nanómetros, con tasa de repetición de 100 kilohercios y potencia de 120 milivatios. Esta longitud de onda hace que el sistema sea seguro para los ojos y permite al equipo filtrar los fotones solares que de otra manera sobrecargarían al detector.

Los investigadores envían y reciben estos fotones a través del mismo aparato óptico: un telescopio astronómico corriente con una apertura de 280 milímetros. Los fotones reflejados son luego detectados por un detector de un único fotón. Para crear una imagen, los investigadores escanean el campo de visión mediante un espejo controlado por piezo que puede inclinarse hacia arriba, hacia abajo y de lado a lado. De esta manera, pueden crear imágenes bidimensionales. Pero al cambiar los tiempos de activación, pueden recoger los fotones reflejados desde diferentes distancias para generar una imagen en 3D.

El avance final del equipo consiste en el desarrollo de un algoritmo que combina la imagen con los datos de un solo fotón. Este tipo de imágenes computacionales ha avanzado a pasos agigantados en los últimos años, permitiendo a los investigadores crear imágenes a partir de conjuntos de datos relativamente pequeños.

Los resultados hablan por sí mismos. El equipo instaló esta nueva cámara en la planta 20 de un edificio en la isla de Chongming en Shanghái y apuntó al edificio de la aviación civil de Pudong, al otro lado del río, a unos 45 kilómetros.

Las imágenes convencionales tomadas a través del telescopio no muestran nada más que ruido. Pero esta nueva técnica produce imágenes con una resolución espacial de unos 60 centímetros, capaz de captar las ventanas del edificio. "Este resultado demuestra la gran capacidad del sistema LIDAR infrarrojo cercano de un solo fotón para captar objetivos a través del esmog", afirma el equipo.

También es significativamente mejor que el límite de difracción convencional de un metro a 45 kilómetros, y mucho mejor que otros algoritmos desarrollados recientemente. Esta imagen muestra el potencial de la técnica para imágenes tomadas a la luz del día desde una distancia de 21 kilómetros. La investigación detalla: "Nuestros resultados abren un nuevo campo para las imágenes ópticas en 3D de alta resolución, rápidas y de baja potencia a distancia ultra larga".

Se trata de un trabajo interesante que tiene una amplia gama de aplicaciones. El equipo mencionó la detección remota, la vigilancia aérea y el reconocimiento e identificación de objetivos. De hecho, todo el dispositivo tiene el tamaño aproximado de una gran caja de zapatos y, por lo tanto, es relativamente fácil de llevar.

Zheng-Ping y sus colegas creen que su sistema también se podría mejorar bastante: "Nuestro sistema podría llegar a obtener imágenes a varios cientos de kilómetros si se refina su configuración, y por eso representa un logro importante hacia el LIDAR rápido, de baja potencia y de alta resolución a distancias extra largas". Así que habrá que sonreír porque podrían estar mirándonos.

Ref: arxiv.org/abs/1904.10341: Single-Photon Computational 3D Imaging at 45 km