Fotocamera olografica che disperde la luce per vedere oltre gli angoli

Un team di ricercatori dell’Università Northwestern ha inventato una nuova fotocamera ad alta risoluzione in grado di vedere oltre gli angoli e attraverso i 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 a lunghezza d’onda sintetica e disperde indirettamente la luce coerente sugli oggetti nascosti. La luce coerente si disperde nuovamente prima di tornare alla fotocamera.

Il passo successivo consiste nell’utilizzare un algoritmo per ricostruire il segnale di luce dispersa per rivelare gli oggetti nascosti. Questo nuovo metodo potrebbe anche immaginare oggetti in movimento rapido, come il cuore che batte attraverso il petto, grazie alla sua alta risoluzione temporale.

Immagini fuori linea di vista

C’è un nome per questo campo di ricerca relativamente nuovo che coinvolge l’imaging di oggetti dietro i mezzi di dispersione: immagini fuori linea di vista (NLoS). Il nuovo metodo sviluppato dal team di ricerca può catturare rapidamente immagini a pieno campo di grandi aree e lo fa con estrema precisione e accuratezza.

Data la alta risoluzione, c’è la possibilità che la fotocamera computazionale possa immaginare attraverso la pelle per vedere i piccoli capillari.

Ci sono molte applicazioni potenziali per questa tecnologia, tra cui l’imaging medico non invasivo. Potrebbe anche essere utilizzato per sistemi di navigazione di allarme precoce per automobili e ispezione industriale in spazi ristretti.

Florian Willomitzer è l’autore principale della ricerca.

“La nostra tecnologia darà il via a una nuova ondata di capacità di imaging”, ha dichiarato 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 spaziale o all’imaging acustico subacqueo. Può essere applicato a molte aree e abbiamo solo sfiorato la superficie.”

Secondo Willomitzer, immaginare oltre un angolo e un organo all’interno del corpo umano sono in realtà abbastanza simili.

“Se hai mai provato a illuminare una mano con una torcia, allora hai sperimentato questo fenomeno”, ha detto Willomitzer. “Vedi un punto luminoso sull’altro lato della mano, ma, teoricamente, ci dovrebbe essere un’ombra proiettata dalle ossa, rivelando la struttura delle ossa. Invece, la luce che passa attraverso le ossa si disperde all’interno del tessuto in tutte le direzioni, oscurando completamente l’immagine dell’ombra.”

Interceptione della luce dispersa

Interceptando la luce dispersa, le informazioni innate sul tempo di viaggio possono essere ricostruite per rivelare l’oggetto nascosto.

“Niente è più veloce della velocità della luce, quindi se si desidera misurare il tempo di viaggio della luce con alta precisione, è necessario disporre di rilevatori estremamente veloci”, ha dichiarato Willomitzer. “Tali rilevatori possono essere terribilmente costosi.”

Per superare questa sfida, il team ha combinato le onde luminose di due laser per generare un’onda luminosa sintetica che può essere specificamente adattata all’imaging olografico in diversi scenari di dispersione.

“Se si può catturare l’intero campo di luce di un oggetto in un ologramma, allora si può ricostruire la forma tridimensionale dell’oggetto nella sua interezza”, ha detto Willomitzer. “Noi facciamo questo imaging olografico oltre un angolo o attraverso i dispersori – con onde sintetiche invece di luce normale.”

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

“È come se potessimo piantare una fotocamera computazionale virtuale su ogni superficie remota per vedere il mondo dalla prospettiva della superficie”, ha detto Willomitzer.

Tutto ciò significa che la nuova tecnologia potrebbe sostituire o integrare gli endoscopi per l’imaging medico e industriale. Attraverso il suo utilizzo, le fotocamere flessibili non sono più necessarie per girare gli angoli e muoversi attraverso spazi stretti. Invece, l’olografia a lunghezza d’onda sintetica potrebbe utilizzare la luce per vedere oltre questi angoli.