ترميز الإنتروبيا البصري بالتحويل التصاعدي لتصوير السعة المركبة في الأشعة تحت الحمراء

رؤية الحرارة غير المرئية من حولنا

من السيارات التي تقود ليلاً إلى الهياكل الدقيقة داخل الخلايا الحية، ينبعث الكثير من العالم من حولنا ضوءًا تحت أحمر غير مرئي. تسجيل أفلام مفصَّلة لهذا «ضوء الحرارة» يمكن أن يغيّر مجالات مثل القيادة الذاتية والتصوير الطبي، لكن كاميرات الأشعة تحت الحمراء الحالية مكلفة وتستهلك طاقة كبيرة وغالبًا ما تكون بطيئة. يقدم هذا البحث طريقة جديدة لتحويل المشاهد الضعيفة تحت الحمراء إلى صور واضحة بمعدلات فيديو باستخدام شرائح كاميرات مرئية عادية وقليل من البصريات الذكية والذكاء الاصطناعي.

تحويل الحرارة إلى ضوء مرئي

تعتمد الكاميرات تحت الحمراء القياسية على مواد متخصصة غالبًا ما يلزم تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة جدًا، مما يجعلها ضخمة ومكلفة. بديل جذاب هو «التحويل التصاعدي» للضوء تحت الأحمر إلى ضوء مرئي يمكن لمستشعرات السيليكون الرخيصة اكتشافه. تقبع طرق التحويل التصاعدي الحالية في معسكرين. تحافظ التقنيات التوافقية على التفاصيل الدقيقة للضوء لكنها تتطلب ليزرات قوية ومحاذاة دقيقة. الطرق غير التوافقية، المبنية على مواد مشعة خاصة، أبسط وتعمل مع ضوء أضعف بكثير، لكنها تتخلى عن جزء الموجة من الضوء المعروف بالطور. تجمع العمل الجديد بين نقاط القوة في كلا العالمين: يحافظ على بساطة وحساسية المواد المشعة بينما يستعيد الوصول إلى معلومات الموجة المخفية.

تشويش الضوء ليكشف المزيد

يكمن جوهر النهج في فكرة تسمى ترميز الإنتروبيا البصري. يمرر الباحثون أولًا المشهد الوارد تحت الأحمر عبر قطعة خشنة من الزجاج المنقّى التي تبعثر الضوء إلى نمط نتوءي يبدو عشوائيًا. يعمل هذا «المشوِّه» كرمز معقد، يمزج معًا كلًّا من سطوع الضوء وشكل موجته. بعد ذلك، تمتص طبقة رقيقة تحتوي على أيونات اللانثانيد هذا الضوء النتوي تحت الأحمر وتعيد إصداره كضوء مرئي عبر عملية تحويل تصاعدي متدرجة. تسجل كاميرا سيليكون قياسية شدة هذا النمط المرئي فقط، والذي بمفرده يبدو بلا معنى. ومع ذلك، لأن نمط التبعثر غني ومعقد، فإنه يحمل سرًا معلومات كافية عن سطوع المشهد الأصلي وطور موجته ليتم فك تشفيرها لاحقًا.

ترك الشبكة العصبية لتفك الشيفرة

الجزء الصعب هو تحويل أنماط النتوء المسجلة مرة أخرى إلى صورة قابلة للاستخدام للمشهد. لا توجد صيغة بسيطة تربط النتوء المرئي المشوش بالضوء تحت الأحمر الأصلي. بدلًا من ذلك،درّبت الفريق شبكة عصبية عميقة تسمى S-ULRnet لتتعلم هذا الارتباط من أمثلة. يزودون الشبكة بأزواج عديدة من أنماط تحت الحمراء المعروفة وصور النتوء الناتجة عن التحويل التصاعدي. مع مرور الوقت، تتعلم الشبكة إعادة بناء كلٍّ من السطوع والطور من لقطة واحدة. يوضح المؤلفون أيضًا أنه من خلال ضبط مدى قوة تشويش الزجاج المنقّى للضوء — أي زيادة «الإنتروبيا» أو محتوى المعلومات في النتوء — يمكنهم تعزيز دقة إعادة البناء بشكل كبير.

أفلام واضحة من إشارات تحت حمراء ضعيفة

بمجرد تدريبها، يعمل النظام بشكل مثير للإعجاب. يستعيد صورًا رمادية بعمق 8 بت مفصلة للسطوع والطور بمعدل فيديو 25 إطارًا في الثانية، كل ذلك من كشف واحد للكاميرا لكل إطار. يمكن للإعداد اكتشاف طاقة تحت حمراء ضعيفة للغاية، حتى حوالي 0.2 نانowatt لكل ميكرومتر مربع — أي بحساسية تقارب ألف ضعف أكثر من العديد من طرق التحويل التصاعدي التقليدية. يعرض الفريق مقاطع فيديو في الوقت الحقيقي لمشاهد طبيعية، وتسلسلات أرقام متحركة، وحتى لافتات حدود السرعة على الطريق، والتي يمكن بعد ذلك تصنيفها بدقة بواسطة شبكة تعرف منفصلة. يبيّن ذلك كيف يمكن للنظام الاندماج في مهام عملية مثل القيادة الذاتية أو المراقبة الذكية.

مسار جديد للرؤية تحت الحمراء الذكية

بعبارات بسيطة، بنى الباحثون مترجمًا ذكيًا يحول الضوء تحت الأحمر الصعب الكشف إلى أنماط مرئية غنية بالمعلومات، ثم يترك الذكاء الاصطناعي لقراءة تلك الأنماط لإعادة تكوين كيف بدا المشهد تحت الأحمر. طريقتهم سريعة وحساسة للغاية وتستخدم أجهزة بسيطة نسبيًا، مما يجعلها جذابة لتطبيقات تتراوح من التشخيص الطبي إلى المراقبة البيئية. وبما أن المواد المشعة المستخدمة يمكن أن تستجيب لألوان تحت حمراء مختلفة، فيمكن توسيع نفس المفهوم ليشمل نطاقات طول موجية متعددة وأنماط تصوير متقدمة. ونتيجة لذلك، يشير هذا العمل إلى كاميرات مستقبلية ترى الحرارة والبنية بتفصيل ملحوظ، باستخدام مكونات ميسورة التكلفة وفك ترميز ذكي.

الاستشهاد: Zhu, Sk., Pan, T., Tang, Cx. et al. Upconversion optical entropy encoding for infrared complex-amplitude imaging. Light Sci Appl 15, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02215-7

الكلمات المفتاحية: التصوير بالأشعة تحت الحمراء, التحويل التصاعدي, ترميز النتوءات الضوئية, استشعار الشبكات العصبية, الأشعة تحت الحمراء الموجية القصيرة