Holografinen kamera hajoittaa valoa nähdäkseen kulmissa

Northwestern-yliopiston tutkijaryhmä on kehittänyt uuden korkearesoluutioisen kameran, joka pystyy näkemään kulmissa ja läpi hajottavia medioita, kuten ihon tai sumun.

Tutkimus julkaistiin 18. marraskuuta Nature Communications -lehdessä.

Uusi menetelmä on kutsuttu syntetiseksi aallonpituusholografiaksi, ja se hajottaa koherentin valon suoraan piilossa oleviin objekteihin. Koherentti valo hajottuu uudelleen ennen paluuta kameraan.

Seuraava askel on algoritmin käyttäminen hajotetun valosignaalin jälleenrakentamiseen piilossa olevien objektiiden paljastamiseksi. Tämä uusi menetelmä voi myös kuvata nopeasti liikkuvia objekteja, kuten sydämen lyönnit rintakehän läpi, sen korkean aikaresoluution ansiosta.

Näkeminen kulmista

Tämä suhteellisen uusi tutkimusala, joka liittyy objektiiden kuvaamiseen hajottavien medioitten takana, on nimeltään näkeminen kulmista (NLoS). Uusi menetelmä, jonka tutkijaryhmä on kehittänyt, voi nopeasti kuvata täysikokoisia kuvia laajoista alueista, ja se tekee sen äärimmäisen tarkkuudella ja täsmällisyydellä.

Korkean resoluution ansiosta on mahdollista, että laskennallinen kamera voi kuvata ihon läpi ja nähdä pienet verisuonet.

Tämän teknologian mahdollisia sovelluksia ovat muun muassa ei-invasiivinen lääketieteellinen kuvaus. Sitä voidaan myös käyttää varoitusjärjestelminä autoissa ja teollisessa tarkastuksessa ahtaissa tiloissa.

Florian Willomitzer on tutkimuksen ensisijainen tekijä.

“Teknologiamme tuo mukanaan uuden aallon kuvauksen mahdollisuuksia”, Willomitzer sanoi. “Nykyiset sensorimallimme käyttävät näkyvää tai infrapuna-valoa, mutta periaate on yleinen ja voidaan soveltaa muihin aallonpituuksiin. Esimerkiksi sama menetelmä voidaan soveltaa radioaalloille avaruuden tutkimiseen tai vedenalaiseen akustiseen kuvausmenetelmään. Se voidaan soveltaa moniin alueisiin, ja olemme vasta hipaisseet pinnanalaista.”

Willomitzerin mukaan kulman takana olevan objektiin ja elimen kuvaaminen ihmisruumiin sisällä ovat hyvin samankaltaisia.

“Jos olet koskaan yrittänyt suunnata taskulamppua käsien läpi, olet kokenut tämän ilmiön”, Willomitzer sanoi. “Näet kirkkaan pisteen käsien toisella puolella, mutta teoreettisesti pitäisi olla varjo, joka paljastaa luurankorakenteen. Sen sijaan valo, joka menee luun läpi, hajoaa kudoksessa kaikkiin suuntiin, ja se peittää kokonaan varjokuvan.”

Hajotetun valon vastaanotto

Hajotetun valon vastaanottamalla voidaan jälleenrakentaa sen matkustusajan perustiedot piilossa olevan objektiin.

“Ei ole mitään nopeampaa kuin valon nopeus, joten jos haluat mitata valon matkustusajan tarkasti, tarvitset erittäin nopeita antureita”, Willomitzer sanoi. “Tällaiset anturit voivat olla kalliita.”

Tutkijaryhmä yhdisti kaksi laserin valoa syntetiseksi valoaalloksi, jota voidaan soveltaa holografiseen kuvausmenetelmään erilaisissa hajottavissa tilanteissa.

“Jos voit tallentaa koko valokentän objektiin hologrammiin, voit jälleenrakentaa objektiin kolmiulotteisen muodon kokonaisuudessaan”, Willomitzer sanoi. “Me teemme tämän holografisen kuvausmenetelmän kulman takana tai hajottajien läpi – syntetisillä aalloilla normaalin valon sijaan.”

Koska valo liikkuu suorassa linjassa, laite vaatii läpinäkymättömän esteen nähdäkseen kulmissa. Valo lähetetään sensoriyksiköstä ennen heijastumista esteeseen ja osuu objektiin kulman takana. Se heijastuu takaisin esteeseen ja takaisin sensoriyksikön anturiin.

“Se on kuin voisimme istuttaa virtuaalisen laskennallisen kameran jokaiselle etäiselle pinnalle nähdäksemme maailman pinnan näkökulmasta”, Willomitzer sanoi.

Kaikki tämä tarkoittaa, että uusi teknologia voi joko korvata tai täydentää endoskooppeja lääketieteellisessä ja teollisessa kuvausmenetelmässä. Sen avulla joustavat kamerat eivät enää ole tarpeen kääntyäkseen kulmissa ja liikkumiseen ahtaissa tiloissa. Sen sijaan syntetinen aallonpituusholografia voi käyttää valoa nähdäkseen nämä kulmat.