Holografische Kamera streut Licht, um um Ecken zu sehen

Ein Team von Forschern an der Northwestern University hat eine neue hochauflösende Kamera erfunden, die um Ecken und durch streuende Medien sehen kann, was alles von Haut bis Nebel umfassen kann.

Die Forschung wurde am 18. November in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die neue Methode wird synthetische Wellenlängen-Holographie genannt und streut kohärentes Licht indirekt auf versteckte Objekte. Das kohärente Licht streut dann erneut, bevor es zu einer Kamera zurückkehrt.

Der nächste Schritt besteht darin, dass ein Algorithmus das gestreute Lichtsignal rekonstruiert, um die versteckten Objekte aufzudecken. Diese neue Methode könnte auch schnell bewegte Objekte wie ein schlagendes Herz durch die Brust abbilden, dank ihrer hohen zeitlichen Auflösung.

Bildgebung ohne Sichtverbindung

Es gibt einen Namen für dieses relativ neue Forschungsgebiet, das die Abbildung von Objekten hinter streuenden Medien umfasst: Bildgebung ohne Sichtverbindung (NLoS). Die neue Methode, die von dem Forschungsteam entwickelt wurde, kann schnell Vollfeldbilder großer Flächen aufnehmen und tut dies mit extremer Präzision und Genauigkeit.

Angesichts des hohen Auflösungsgrades besteht die Möglichkeit, dass die computergesteuerte Kamera durch die Haut tiny Kapillaren abbilden kann.

Es gibt viele mögliche Anwendungen für diese Technologie, einschließlich nichtinvasiver medizinischer Bildgebung. Sie könnte auch für Frühwarn-Navinationssysteme für Automobile und industrielle Inspektion in beengten Räumen verwendet werden.

Florian Willomitzer ist der erste Autor der Forschung.

“Unsere Technologie wird eine neue Welle von Bildgebungs-Fähigkeiten einleiten”, sagte Willomitzer. “Unsere aktuellen Sensortypen verwenden sichtbares oder infrarotes Licht, aber das Prinzip ist universell und könnte auf andere Wellenlängen erweitert werden. Zum Beispiel könnte die gleiche Methode auf Radiowellen für die Weltraumexploration oder Unterwasser-Akustikbildgebung angewendet werden. Sie kann in vielen Bereichen angewendet werden, und wir haben nur die Oberfläche scratcht.”

Laut Willomitzer sind das Abbilden um eine Ecke und das Abbilden eines Organs im menschlichen Körper tatsächlich ziemlich ähnlich.

“Wenn Sie jemals versucht haben, eine Taschenlampe durch Ihre Hand zu leuchten, dann haben Sie dieses Phänomen erlebt”, sagte Willomitzer. “Sie sehen einen hellen Fleck auf der anderen Seite Ihrer Hand, aber theoretisch sollte dort ein Schatten von Ihren Knochen sein, der die Struktur der Knochen aufdeckt. Stattdessen wird das Licht, das die Knochen passiert, in alle Richtungen innerhalb des Gewebes gestreut, was das Schattenbild völlig verwischt.”

Aufnahme von gestreutem Licht

Durch die Aufnahme des gestreuten Lichts kann die inhärente Information über die Reisezeit rekonstruiert werden, um das versteckte Objekt aufzudecken.

“Nichts ist schneller als die Geschwindigkeit des Lichts, also müssen Sie, wenn Sie die Reisezeit des Lichts mit hoher Präzision messen möchten, extrem schnelle Detektoren haben”, sagte Willomitzer. “Solche Detektoren können schrecklich teuer sein.”

Um diese Herausforderung zu überwinden, kombinierte das Team Lichtwellen von zwei Lasern, um eine synthetische Lichtwelle zu erzeugen, die speziell für holografische Bildgebung in verschiedenen Streu-Szenarien angepasst werden kann.

“Wenn Sie das gesamte Lichtfeld eines Objekts in einem Hologramm aufnehmen können, dann können Sie die dreidimensionale Form des Objekts in seiner Gesamtheit rekonstruieren”, sagte Willomitzer. “Wir tun dies holografische Bildgebung um eine Ecke oder durch Streuer – mit synthetischen Wellen anstelle von normalem Licht.”

Da Licht geradeaus reist, benötigt das neue Gerät eine undurchsichtige Barriere, um um Ecken zu sehen. Das Licht wird von der Sensoreinheit emittiert, bevor es von der Barriere abprallt und das Objekt um die Ecke trifft. Es prallt dann von der Barriere zurück und zurück in den Detektor der Sensoreinheit.

“Es ist, als ob wir eine virtuelle computergesteuerte Kamera auf jede entfernte Oberfläche pflanzen könnten, um die Welt aus der Perspektive der Oberfläche zu sehen”, sagte Willomitzer.

All dies bedeutet, dass die neue Technologie Endoskope für medizinische und industrielle Bildgebung ersetzen oder ergänzen könnte. Durch ihre Verwendung sind flexible Kameras nicht mehr erforderlich, um Ecken zu biegen und sich durch enge Räume zu bewegen. Stattdessen könnte die synthetische Wellenlängen-Holographie Licht verwenden, um um diese Ecken zu sehen.