Holografisk Kamera Spredt Lys For At Se Omkring Hjørner

Et hold forskere fra Northwestern University har opfundet en ny højopløsningskamera, der kan se omkring hjørner og gennem spredningsmedier, som kan være alt fra hud til tåge.

Forskningen blev offentliggjort den 18. november i tidsskriftet Nature Communications.

Den nye metode kaldes syntetisk bølgelængde-holografi, og den spreder indirekte koherent lys på skjulte objekter. Det koherente lys spreder derefter igen, før det vender tilbage til en kamera.

Næste skridt er, at en algoritme genskaber det spredte lys-signal for at afsløre de skjulte objekter. Denne nye metode kan også afbilde hurtigt bevægelige objekter, såsom et slagende hjerte gennem brystkassen, takket være dens høje tidsmæssige opløsning.

Ikke-Line-Of-Sight-Billeddannelse

Der er et navn for dette relativt nye forskningsfelt, der indebærer at afbilde objekter bag spredningsmedier: ikke-line-of-sight (NLoS)-billeddannelse. Den nye metode, der er udviklet af forskerholdet, kan hurtigt fange fuld-billede-afbilder af store områder, og den gør det med ekstrem præcision og nøjagtighed.

Givet den høje opløsning, er der en mulighed for, at den beregnende kamera kan afbilde gennem huden og se små kapillærer.

Der er mange potentielle anvendelser for denne teknologi, herunder ikke-invasiv medicinsk billeddannelse. Den kan også anvendes til tidlige advarselssystemer for biler og industrielle inspektioner i begrænsede rum.

Florian Willomitzer er den første forfatter af forskningen.

“Vores teknologi vil indlede en ny bølge af billeddannelsesmuligheder,” sagde Willomitzer. “Vore nuværende sensor-prototyper bruger synligt eller infrarødt lys, men princippen er universel og kan udvides til andre bølgelængder. For eksempel kan samme metode anvendes på radiobølger til rumforskning eller undervands-akustisk billeddannelse. Den kan anvendes på mange områder, og vi har kun kradsat overfladen.”

Ifølge Willomitzer er at afbilde omkring et hjørne og et organ inde i den menneskelige krop faktisk ret ligetil.

“Hvis du nogensinde har forsøgt at lyse en lommelygte gennem din hånd, så har du oplevet dette fænomen,” sagde Willomitzer. “Du ser et lyspunkt på den anden side af din hånd, men teoretisk set burde der være en skygge kastet af dine knogler, der afslører knoglenes struktur. I stedet forbliver lyset, der passerer knoglerne, spredt inden for vævet i alle retninger, og skyggebilledet bliver helt uklart.”

Interceptering Af Spredt Lys

Ved at interceptere det spredte lys kan den indre information om dets rejsetid genskabes for at afsløre det skjulte objekt.

“Ingenting er hurtigere end lysets hastighed, så hvis du vil måle lysets rejsetid med høj præcision, så har du brug for ekstremt hurtige detektorer,” sagde Willomitzer. “Sådanne detektorer kan være frygteligt dyre.”

For at overvinde denne udfordring kombinerede holdet lysbølger fra to lasere for at generere en syntetisk lysbølge, der kan tilpasses til holografisk billeddannelse i forskellige spredningsscenarier.

“Hvis du kan fange hele lysfeltet af et objekt i et hologram, så kan du genskabe objektets tredimensionale form i sin helhed,” sagde Willomitzer. “Vi gør dette holografiske billede omkring et hjørne eller gennem spredere – med syntetiske bølger i stedet for normalt lys.”

Givet, at lys rejser i rette baner, kræver den nye enhed en uigennemsigtig barriere for at se omkring hjørner. Lyset udsendes fra sensor-enheten, før det bouncer af barrieren og rammer objektet omkring hjørnet. Derefter bouncer det tilbage til barrieren og tilbage ind i sensor-enhedens detektor.

“Det er, som om vi kan placere en virtuel beregningskamera på hver fjernoverflade for at se verden fra overfladens synspunkt,” sagde Willomitzer.

Alt dette betyder, at den nye teknologi enten kan erstatte eller supplere endoskoper til medicinsk og industrielt billeddannelse. Gennem dens brug er fleksible kameraer ikke længere nødvendige for at dreje om hjørner og bevæge sig gennem små rum. I stedet kan syntetisk bølgelængde-holografi bruge lys til at se omkring disse hjørner.