Holografisk Kamera Spres Lyset 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 spredningsmedier, 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 spreser indirekte kohærent lys på skjulte objekter. Det kohærente lyset spreser så igjen før det reiser tilbake 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 bilde raskt flyttende objekter, som et slagende hjerte gjennom brystet, takket være sin høye tidsoppløsning.

Ikke-linje-av-synt-bilde

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

Gitt den høye oppløsningen, er det en mulighet for den komputasjonelle kameraet å bilde gjennom huden og se små kapillærer.

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

Florian Willomitzer er den første forfatteren av forskningen.

“Vår teknologi vil innlede en ny bølge av bildeevner,” 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 bildediagnostikk. Den kan brukes i mange områder, og vi har bare skrapet overflaten.”

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

“Hvis du noen gang 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. Isteden spreser lyset som passerer beinene 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 vil måle lysets reisetid med høy presisjon, så trenger du ekstremt raskt 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 bildediagnostikk i forskjellige spredningsscenarier.

“Hvis du kan fange hele lyssfeltet av 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 spredningsmedier — med syntetiske bølger istedenfor vanlig lys.”

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

“Det er som om vi kan plassere en virtuell komputasjonell kamera på hver fjern overflate 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 bildediagnostikk. Gjennom dens bruk, er fleksible kameraer ikke lenger nødvendig for å dreie hjørner og bevege seg gjennom trangt rom. Isteden kan syntetisk bølgelengde-holografi bruke lys til å se rundt disse hjørnene.