Holografisk Kamera Spreader Lys for å Se Rundt Hjørner

Et team av forskere ved Northwestern University har oppfunnet en ny høyoppløselig kamera som kan se rundt hjørner og gjennom spredende medier, som kan være alt fra hud til tåke.

Forskningen ble publisert den 18. november i tidsskriftet Nature Communications. 

Den nye metoden kalles syntetisk bølgelengde-holografi, og den spredende kohærent lys indirekte på skjulte objekter. Det kohærente lyset spredes så igjen før det returnerer til et kamera. 

Neste skritt er for en algoritme å rekonstruere det spredte lyssignalet for å avsløre de skjulte objektene. Denne nye metoden kan også avbilde raskt flyttende objekter, som et slagende hjerte gjennom brystet, takket være sin høye tidsoppløsning.

Ikke-linje-av-syn-avbildning

Det finnes et navn på dette relativt nye forskningsfeltet som innebærer avbildning av objekter bak spredende medier: ikke-linje-av-syn (NLoS)-avbildning. Den nye metoden utviklet av forskningsteamet kan raskt fange fullfelt-bilder av store områder, og det gjør det med ekstrem presisjon og nøyaktighet.

Gitt det høye nivået av oppløsning, er det en mulighet for den beregnende kameraet å avbilde gjennom huden og se små kapillærer.

Det finnes mange potensielle anvendelser for denne teknologien, inkludert ikke-invasiv medisinsk avbildning. Den kan også brukes til tidlige advarselssystemer for biler og industriell inspeksjon i begrensede rom.

Florian Willomitzer er første forfatter av forskningen.

“Vår teknologi vil innlede en ny bølge av avbildningsmuligheter,” sa Willomitzer. “Våre nåværende sensorprototyper bruker synlig eller infrarød lys, men prinsippet er universelt og kan utvides til andre bølgelengder. For eksempel kan samme metode brukes til radiobølger for romeksplorasjon eller undervanns-akustisk avbildning. Den kan brukes i mange områder, og vi har bare skrapet overflaten.”

Ifølge Willomitzer er avbildning rundt et hjørne og et organ inne i menneskekroppen faktisk ganske likt. 

“Hvis du noensinne har prøvd å skinne en lommelykt gjennom hånden din, så har du opplevd dette fenomenet,” sa Willomitzer. “Du ser en lys punkt på den andre siden av hånden din, men teoretisk sett burde det være en skygge kastet av beinene dine, som avslører beinets struktur. I stedet blir lyset som passerer beinene spredt innenfor vevet i alle retninger, og skyggebildet blir helt utydelig.”

Interceptering av spredt lys

Ved å interceptere det spredte lyset, kan den innebygde informasjonen om reisetiden rekonstrueres for å avsløre det skjulte objektet.

“Ingenting er raskere enn lysets hastighet, så hvis du ønsker å måle lysets reisetid med høy presisjon, så trenger du ekstremt raske detektorer,” sa Willomitzer. “Slike detektorer kan være fryktelig dyre.”

For å overvinne denne utfordringen, slo teamet sammen lysbølger fra to lasere for å generere en syntetisk lysbølge som kan tilpasses holografisk avbildning i forskjellige spredningsscenarier.

“Hvis du kan fange hele lyssfeltet til et objekt i et hologram, så kan du rekonstruere objektets tredimensjonale form i sin helhet,” sa Willomitzer. “Vi gjør dette holografiske bildet rundt et hjørne eller gjennom spredere – med syntetiske bølger i stedet for vanlige lysbølger.”

Gitt at lys reiser i rette baner, krever den nye enheten en ugjennomsiktig barriere for å se rundt hjørner. Lyset sendes ut fra sensor-enheten før det reflekteres av barrieren og treffer objektet rundt hjørnet. Det reflekteres så tilbake til barrieren og inn i detektoren i sensor-enheten.

“Det er som om vi kan plassere en virtuell beregningskamera på hver fjernoverflate for å se verden fra overflatens perspektiv,” sa Willomitzer.

Alt dette betyr at den nye teknologien kan erstattes eller supplere endoskoper for medisinsk og industriell avbildning. Gjennom dens bruk, er fleksible kameraer ikke lenger nødvendig for å vende hjørner og bevege seg gjennom trangere rom. I stedet kan syntetisk bølgelengde-holografi bruke lys til å se rundt disse hjørnene.