Holografische Camera Strooit Licht om Hoeken te Zien

Een team van onderzoekers aan de Northwestern University heeft een nieuwe high-resolution camera uitgevonden die om hoeken heen en door verstrooiingsmedia kan kijken, wat alles kan zijn van huid tot mist.

Het onderzoek werd op 18 november gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

De nieuwe methode heet synthetische golflengte holografie en strooit indirect coherent licht op verborgen objecten. Het coherente licht strooit vervolgens opnieuw voordat het terugreist naar een camera.

De volgende stap is dat een algoritme het verstrooide lichtsignaal reconstrueert om de verborgen objecten te onthullen. Deze nieuwe methode kan ook snel bewegende objecten afbeelden, zoals het kloppende hart door de borst, dankzij zijn hoge temporale resolutie.

Non-line-of-sight Imaging

Er is een naam voor dit relatief nieuwe onderzoeksgebied dat betrekking heeft op het afbeelden van objecten achter verstrooiingsmedia: non-line-of-sight (NLoS) imaging. De nieuwe methode die door het onderzoeksteam is ontwikkeld, kan snel volledige veldafbeeldingen van grote gebieden maken en doet dit met extreme precisie en nauwkeurigheid.

Gezien het hoge resolutieniveau is er een mogelijkheid voor de computationele camera om door de huid heen te kijken en kleine haarvaten te zien.

Er zijn veel potentiële toepassingen voor deze technologie, waaronder niet-invasieve medische beeldvorming. Het kan ook worden gebruikt voor vroegwaarschuwingsnavigatiesystemen voor auto’s en industriële inspectie in beperkte ruimtes.

Florian Willomitzer is de eerste auteur van het onderzoek.

“Onze technologie zal een nieuwe golf van beeldvormingsmogelijkheden inluiden,” zei Willomitzer. “Onze huidige sensorprototypes gebruiken zichtbaar of infrarood licht, maar het principe is universeel en kan worden uitgebreid tot andere golflengtes. Bijvoorbeeld, dezelfde methode kan worden toegepast op radiogolven voor ruimteverkenning of onderwaterakoestische beeldvorming. Het kan worden toegepast op veel gebieden en we hebben alleen het oppervlak geschampt.”

Volgens Willomitzer zijn het afbeelden van een hoek en een orgaan in het menselijk lichaam eigenlijk heel vergelijkbaar.

“Als je ooit een zaklamp door je hand hebt geschoven, dan heb je dit fenomeen ervaren,” zei Willomitzer. “Je ziet een fel lichtpunt aan de andere kant van je hand, maar theoretisch zou er een schaduw moeten zijn die door je botten wordt geworpen, waardoor de structuur van de botten zichtbaar wordt. In plaats daarvan wordt het licht dat door de botten gaat verstrooid in alle richtingen door het weefsel, waardoor het schaduwbeeld volledig vervaagd wordt.”

Intercepting Scattered Light

Door het verstrooide licht op te vangen, kan de inherente informatie over de reistijd worden gereconstrueerd om het verborgen object te onthullen.

“Niets is sneller dan de snelheid van het licht, dus als je de reistijd van het licht met hoge precisie wilt meten, dan heb je extreem snelle detectors nodig,” zei Willomitzer. “Dergelijke detectors kunnen verschrikkelijk duur zijn.”

Om deze uitdaging te overwinnen, combineerde het team lichtgolven van twee lasers om een synthetische lichtgolf te genereren die specifiek kan worden aangepast aan holografische beeldvorming in verschillende verstrooiingsscenario’s.

“Als je het volledige lichtveld van een object in een hologram kunt vastleggen, dan kun je de driedimensionale vorm van het object in zijn geheel reconstrueren,” zei Willomitzer. “We doen dit holografische beeldvormen om een hoek heen of door verstrooiers – met synthetische golven in plaats van normaal licht.”

Aangezien licht in rechte paden reist, vereist het nieuwe apparaat een ondoorzichtige barrière om om hoeken heen te kunnen kijken. Het licht wordt uitgestraald door de sensor-eenheid voordat het afketst tegen de barrière en het object raakt dat om de hoek zit. Het ketst vervolgens terug tegen de barrière en terug in de detector van de sensor-eenheid.

“Het is alsof we een virtuele computationele camera op elk afgelegen oppervlak kunnen plaatsen om de wereld vanuit het perspectief van het oppervlak te zien,” zei Willomitzer.

Alles bij elkaar betekent dit dat de nieuwe technologie endoscopen voor medische en industriële beeldvorming kan vervangen of aanvullen. Door middel van deze technologie zijn flexibele camera’s niet langer nodig om om hoeken heen te kijken en door smalle ruimtes te bewegen. In plaats daarvan kan synthetische golflengte holografie licht gebruiken om om deze hoeken heen te kijken.