عکسبرداري از فواصل طولاني روي زمين يک چالش پيچيده است. ثبت نور از يک سوژه که در فاصله‌ي طولاني از دوربين قرار دارد، کار آساني نيست. علاوه‌براين، جو اتمسفر زمين و نيز آلودگي هواي شهرها در نور تحريف ايجاد کرده که عکس را خراب مي‌کند. اين عوامل باعث شده‌اند تا ثبت عکس از سوژه‌هايي که در فاصله‌ي بيشتر از چند کيلومتر از دوربين قرار دارند، سخت باشد؛ با فرض بر اينکه دوربين در ارتفاعي قرار داده شده باشد که انحناي زمين در مشاهده سوژه تاثير نگذارد. اما در سال‌هاي اخير محققان، تشخيص‌دهنده‌هاي حساس عکس را توسعه داده‌اند تا عملکرد بهتري در اين زمينه داشته باشند. اين تشخيص‌دهنده‌ها به‌قدري حساس هستند که مي‌توانند تک‌تک فوتون‌ها را از سوژه‌هايي که در فاصله‌ي 10 کيلومتري دوربين قرار دارند، ثبت کرده و از کنارهم‌قراردادن اين فوتون‌ها تصوير نهايي را توليد کنند.
با اين اوصاف، فيزيک‌دانان تمايل دارند تا فناوري يادشده را بيشتر بهبود دهند. ژنگ‌پينگ لي و تيمش از دانشگاه علم و فناوري چين در شانگهاي نشان دادند که چگونه مي‌توان از سوژه‌هايي در فاصله‌ي 45 کيلومتري در يک محيط شهري عکس گرفت. در تکنيک تيم مورد اشاره، تشخيص‌دهنده‌هاي تک فوتون و يک الگوريتم خاص تصويربرداري محاسباتي ترکيب شده است تا درنهايت بتوان عکس‌هايي با وضوح تصويري بسيار بالا به ثبت رساند. عکس‌هاي ثبت‌شده با اين تکنيک از بازترکيب کم‌ترين داده‌هاي نقطه‌اي به‌دست مي‌آيند.
تکنيک جديد، در اصل روش کارکرد بسيار ساده‌اي دارد. سيستم يادشده براساس تشخيص فاصله ليزري يا تاباندن نور به فاصله با استفاده از ليزر و ايجاد عکس با استفاده از ثبت نور بازتاب‌شده کار مي‌کند. يکي از مزاياي مهم اين نوع روش‌هاي تصويربرداري اين است که فوتون‌هاي بازتاب‌شده از سوژه در بازه‌ي زماني خاصي به تشخيص‌دهنده‌ها برمي‌گردند که اين بازه‌ي زماني به فاصله‌ي سوژه بستگي دارد و به همين دليل نور اضافه‌ي بازتاب‌شده توسط تشخيص‌دهنده‌ي فوتون ناديده گرفته مي‌شود.
باتوجه‌به ويژگي‌هاي روش فوق، نويز ايجادشده‌ي ناشي از فوتون‌هاي ناخواسته که در محيط وجود دارند، به‌ميزان قابل‌توجهي کاهش مي‌يابد و سيستم‌هاي ليدار را قادر مي‌سازد تا حساسيت بالايي داشته باشند و فاصله‌ي سوژه را نيز به‌دقت تشخيص دهند.
براي بهبود بيشتر عملکرد اين سيستم جديد در محيط‌هاي شهري، ژنگ‌پينک و افراد تيم وي از يک ليزر مادون‌قرمز با طول موج 1550 نانومتر، نرخ تکرار 100 کيلوهرتز و قدرت کم 120 ميلي‌واتي استفاده کرده‌اند. استفاده از اين طول موج باعث شده است تا سيستم مذکور براي چشم ضرر نداشته باشد و بنابراين تيم سازنده را قادر ساخته تا بتوانند فوتون‌هاي خورشيد را در تصوير نهايي فيلتر کنند.
محققان، فوتون‌ها را با دستگاه‌هاي اپتيکي مشابه‌با يک تلسکوب فضايي معمولي (با گشودگي ديافراگم 280 ميلي‌متر) ارسال و دريافت مي‌کنند. سپس فوتون‌هاي بازتاب‌شده با يک تشخيص‌دهنده‌ي تکي فوتون معمولي دريافت مي‌شوند. همچنين محققان براي ساخت يک تصوير، دامنه‌ي ديد را با استفاده از آينه‌هاي کنترل‌شونده‌ي پيزو (Piezo) بررسي مي‌کنند. اين آينه‌ها امکان چرخيدن به بالا، پايين و طرفين را دراختيار محققان قرار مي‌دهند.
با اين روش مي‌توان تصاويري دوبعدي ايجاد کرد اما با تغييردادن زمان امکان ثبت فوتون‌هاي بازتاب‌شده از فواصل مختلف، امکان ايجاد يک تصوير سه‌بعدي نيز فراهم مي‌شود.
آخرين پيشرفتي که تيم مورد بحث به آن دست يافته، توسعه‌ي يک الگوريتم براي ايجاد تصوير براساس داده‌هاي به‌دست‌آمده از تک‌تک فوتون‌هاي بازتاب‌شده است. اين نوع تصويربرداري محاسباتي در سال‌هاي اخير به‌صورت آزمايشگاهي توسعه داده شده است و به محققان اجازه مي‌دهد تا با مجموعه‌ي مختصري از داده‌ها بتوانند يک تصوير نهايي توليد کنند.
نتيجه‌ي کار واضح است و عمکلرد روش فوق را به‌خوبي نشان مي‌دهد. اين تيم تحقيقاتي، دوربين جديد خود را در طبقه‌ي بيستم يک ساختمان در جزيره چونگمينگ واقع در شانگهاي قرار دادند و با استفاده از آن تصوير ساختمان حمل‌و‌نقل هوايي شهري پودانگ واقع در ?? کيلومتري محل دوربين را ثبت کردند.
عکس‌هايي که در همين شرايط با استفاده از تلسکوپ ثبت مي‌شوند، چيزي جز نويز نشان نمي‌دهند. اما اين تکنيک جديد تصاويري توليد مي‌کند که وضوح فضاي آن حدود 60 سانتي‌متر است و جزئياتي مثل پنجره‌ي ساختمان سوژه را هم نشان مي‌دهد. اين محققان در مورد روش خود مي‌گويند:
اين تصاوير قابليت‌هاي برتر سيستم ليدار تک‌فوتوني مادون قرمز را به‌وضوح نشان مي‌دهد. با استفاده از اين تکنيک جديد مي‌توان سوژه‌ها را در فاصله‌هاي خيلي دور نيز به‌خوبي تشخيص داد.
همچنين، اين روش به‌ميزان قابل‌توجهي بهتر از محدوديت انکسار يک متر در فاصله‌ي 45 کيلومتري بوده و مشخصا بهتر از الگوريتم‌هايي است که اخيرا در اين زمينه توسعه داده شده‌اند. تصويري که مشاهده مي‌کنيد، نشان‌دهنده‌ي ظرفيت تکنيک جديد در روشنايي روز از فاصله‌ي 21 کيلومتري است. ژنگ‌پينگ در بخشي از توضيحات خود در مورد اين روش جديد مي‌گويد:
با استفاده از روش جديد ما مي‌توان از سوژه‌هايي که در فاصله‌هاي خيلي دور قرار دارند، با سرعتي زياد و مصرف انرژي بسيار کم، تصاوير اپتيکي سه‌بعدي ثبت کرد.
اين تکنيک جديد کاربردهاي وسيعي دارد. محققان همچنين به اين مورد اشاره کرده‌اند که تشخيص از راه‌دور، نظارت هوايي و تشخيص سوژه ازجمله کاربردهاي تکنيک جديد اين تکنيک محسوب مي‌شوند. ابعاد کلي اين دستگاه در حد يک جعبه‌ي کفش است و به‌همين دليل امکان جابه‌جايي آن به‌راحتي فراهم است.
ژنگ‌پينک و تيمش اعلام کرده‌اند که امکان ارتقاء عملکرد تکنيک آن‌ها وجود دارد.
سيستم ما با انجام يک‌سري تغييرات مي‌تواند از سوژه‌هايي که در فاصله‌ي چند صدکيلومتري قرار دارند نيز عکسبرداري کند و بنابراين روش جديدي براي پيشرفت سريع سيستم‌هاي عکسبرداري ليدار خواهد بود که با کم‌ترين ميزان مصرف انرژي و با سرعتي بسيار زياد مي‌تواند تصاويري با وضوح بسيار بالا از فواصل طولاني ثبت کند.
بنابراين لبخند بزنيد، شايد اين محققان همين حالا درحال تماشاي شما باشند.