Kamera holograficzna rozpraszająca światło, aby zobaczyć za rogami

Zespół badaczy z Northwestern University wynalazł nową kamerę o wysokiej rozdzielczości, która może zobaczyć za rogami i przez rozpraszające medium, które może być wszystkim, od skóry po mgłę.

Badania zostały opublikowane 18 listopada w czasopiśmie Nature Communications.

Nowa metoda nazywa się syntetyczną holografią długości fal, a pośrednio rozpraszająca światło spójne na ukryte obiekty. Światło spójne następnie rozpraszają się ponownie, zanim wrócą do kamery.

Następnym krokiem jest to, aby algorytm odtworzył sygnał światła rozproszonego, aby ujawnić ukryte obiekty. Nowa metoda może również obrazować szybko poruszające się obiekty, takie jak bijące serce przez klatkę piersiową, dzięki jej wysokiej rozdzielczości czasowej.

Obrazowanie poza liniami widzenia

Istnieje nazwa dla tego stosunkowo nowego pola badań, które obejmuje obrazowanie obiektów za rozpraszającym medium: obrazowanie poza liniami widzenia (NLoS). Nowa metoda opracowana przez zespół badawczy może szybko przechwytywać pełne obrazy dużych obszarów, a robi to z ekstremalną precyzją i dokładnością.

Biorąc pod uwagę wysoki poziom rozdzielczości, istnieje możliwość, aby kamera komputacyjna obrazowała przez skórę, aby zobaczyć małe naczynia krwionośne.

Istnieje wiele potencjalnych zastosowań tej technologii, w tym nieinwazyjne obrazowanie medyczne. Może być również stosowane w systemach wczesnego ostrzegania nawigacji dla samochodów i inspekcji przemysłowej w zamkniętych przestrzeniach.

Florian Willomitzer jest pierwszym autorem badań.

“Nasza technologia zapoczątkuje nową falę możliwości obrazowania,” powiedział Willomitzer. “Nasze obecne prototypy czujników wykorzystują światło widzialne lub podczerwone, ale zasada jest powszechna i może być rozszerzona na inne długości fal. Na przykład, taka sama metoda może być stosowana do fal radiowych do eksploracji kosmosu lub podwodnego obrazowania akustycznego. Może być stosowana w wielu obszarach, a my tylko zaczęliśmy.

Według Willomitzera, obrazowanie za rogiem i organem wewnątrz ludzkiego ciała są tak naprawdę dość podobne.

“Jeśli kiedykolwiek próbowałeś świecić latarką przez swoją rękę, to doświadczyłeś tego zjawiska,” powiedział Willomitzer. “Widzisz jasne plamkę po drugiej stronie ręki, ale teoretycznie powinno być tam cień rzucony przez twoje kości, ujawniający strukturę kości. Zamiast tego, światło, które przechodzi przez kości, rozpraszają się w tkance we wszystkich kierunkach, całkowicie rozmywając obraz cienia.”

Przechwytywanie rozproszonego światła

Przechwytywając rozproszone światło, można odtworzyć informacje o czasie jego podróży, aby ujawnić ukryty obiekt.

“Nic nie jest szybsze niż prędkość światła, więc jeśli chcesz zmierzyć czas podróży światła z wysoką precyzją, potrzebujesz niezwykle szybkich detektorów,” powiedział Willomitzer. “Taki detektory mogą być strasznie drogie.”

Aby pokonać to wyzwanie, zespół połączył fale świetlne z dwóch laserów, aby wygenerować syntetyczną falę świetlną, która może być specjalnie dostosowana do holograficznego obrazowania w różnych scenariuszach rozpraszania.

“Jeśli możesz przechwytyć całe pole świetlne obiektu w hologramie, to możesz odtworzyć kształt obiektu w całości,” powiedział Willomitzer. “Robimy to holograficzne obrazowanie za rogiem lub przez rozpraszacze — z syntetycznymi falami zamiast zwykłych fal świetlnych.”

Ponieważ światło porusza się po prostych ścieżkach, nowe urządzenie wymaga nieprzezroczystej bariery, aby zobaczyć za rogami. Światło jest emitowane z jednostki czujnika, zanim odbije się od bariery i uderzy w obiekt za rogiem. Następnie odbija się z powrotem od bariery i z powrotem do detektora jednostki czujnika.

“To jakbyśmy mogli posadzić wirtualną kamerę komputacyjną na każdej odległej powierzchni, aby zobaczyć świat z perspektywy tej powierzchni,” powiedział Willomitzer.

To wszystko oznacza, że nowa technologia może zastąpić lub uzupełnić endoskopy w obrazowaniu medycznym i przemysłowym. Dzięki jej użyciu, elastyczne kamery nie są już potrzebne, aby skręcać za rogami i poruszać się przez wąskie przestrzenie. Zamiast tego, syntetyczna holografia długości fal może używać światła, aby zobaczyć za tymi rogami.