La fotocamera olografica diffonde la luce per vedere dietro gli angoli

Un team di ricercatori della Northwestern University ha inventato una nuova fotocamera ad alta risoluzione in grado di vedere dietro gli angoli e attraverso mezzi di dispersione, che possono essere qualsiasi cosa, dalla pelle alla nebbia.

La ricerca è stata pubblicata il 18 novembre sulla rivista Nature Communications. 

Il nuovo metodo si chiama olografia sintetica della lunghezza d'onda e diffonde indirettamente luce coerente su oggetti nascosti. La luce coerente poi si disperde di nuovo prima di tornare a una telecamera. 

Il passo successivo è che un algoritmo ricostruisca il segnale di luce diffusa per rivelare gli oggetti nascosti. Questo nuovo metodo potrebbe anche visualizzare oggetti in rapido movimento, come il cuore che batte attraverso il petto, grazie alla sua elevata risoluzione temporale.

Imaging senza linea di mira

C'è un nome per questo campo di ricerca relativamente nuovo che coinvolge oggetti di imaging dietro supporti sparsi: imaging non-line-of-sight (NLoS). Il nuovo metodo sviluppato dal team di ricerca è in grado di catturare rapidamente immagini a tutto campo di vaste aree, e lo fa con estrema precisione e accuratezza.

Dato l'elevato livello di risoluzione, esiste la possibilità per la fotocamera computazionale di visualizzare attraverso la pelle i minuscoli capillari visibili.

Esistono molte potenziali applicazioni per questa tecnologia, tra cui l'imaging medico non invasivo. Potrebbe anche essere utilizzato per sistemi di navigazione di allerta precoce per automobili e ispezioni industriali in spazi ristretti.

Florian Willomitzer è il primo autore della ricerca.

"La nostra tecnologia introdurrà una nuova ondata di capacità di imaging", ha affermato Willomitzer. “I nostri attuali prototipi di sensori utilizzano luce visibile o infrarossa, ma il principio è universale e potrebbe essere esteso ad altre lunghezze d'onda. Ad esempio, lo stesso metodo potrebbe essere applicato alle onde radio per l'esplorazione dello spazio o per l'imaging acustico subacqueo. Può essere applicato a molte aree e abbiamo solo scalfito la superficie”.

Secondo Willomitzer, l'imaging dietro un angolo e un organo all'interno del corpo umano sono in realtà abbastanza simili. 

"Se avete mai provato a illuminare la vostra mano con una torcia, allora avete sperimentato questo fenomeno", ha detto Willomitzer. "Vedete un punto luminoso sull'altro lato della mano, ma, in teoria, dovrebbe esserci un'ombra proiettata dalle ossa, che ne rivela la struttura. Invece, la luce che attraversa le ossa si disperde nei tessuti in tutte le direzioni, sfocando completamente l'immagine dell'ombra".

Intercettazione della luce diffusa

Intercettando la luce diffusa, le informazioni intrinseche sul suo tempo di viaggio possono essere ricostruite per rivelare l'oggetto nascosto.

"Nulla è più veloce della velocità della luce, quindi se si vuole misurare il tempo di percorrenza della luce con elevata precisione, servono rilevatori estremamente veloci", ha affermato Willomitzer. "Tali rilevatori possono essere terribilmente costosi".

Per superare questa sfida, il team ha unito le onde di luce di due laser per generare un'onda di luce sintetica che può essere specificatamente adattata all'imaging olografico in diversi scenari di diffusione.

"Se si riesce a catturare l'intero campo luminoso di un oggetto in un ologramma, allora si può ricostruire la forma tridimensionale dell'oggetto nella sua interezza", ha affermato Willomitzer. "Otteniamo questa immagine olografica girando un angolo o attraverso diffusori, con onde sintetiche invece che con onde luminose normali".

Dato che la luce viaggia su percorsi rettilinei, il nuovo dispositivo richiede una barriera opaca per vedere dietro gli angoli. La luce viene emessa dall'unità sensore prima di rimbalzare sulla barriera e colpire l'oggetto dietro l'angolo. Quindi rimbalza sulla barriera e di nuovo nel rilevatore dell'unità sensore.

"È come se potessimo installare una telecamera computazionale virtuale su ogni superficie remota per vedere il mondo dalla prospettiva della superficie", ha affermato Willomitzer.

Tutto ciò significa che la nuova tecnologia potrebbe sostituire o integrare gli endoscopi per l'imaging medico e industriale. Grazie al suo utilizzo, non sono più necessarie telecamere flessibili per girare gli angoli e muoversi in spazi ristretti. Invece, l'olografia sintetica della lunghezza d'onda potrebbe usare la luce per vedere dietro questi angoli.