Holografisk kamera sprider ljus för att se runt hörn

Ett team av forskare vid Northwestern University har uppfunnit en ny högupplöst kamera som kan se runt hörn och genom spridande medier, som kan vara allt från hud till dimma.

Forskningen publicerades den 18 november i tidskriften Nature Communications.

Den nya metoden kallas syntetisk våglängdsholografi, och den sprider indirekt koherent ljus på dolda föremål. Det koherenta ljuset sprids sedan igen innan det reser tillbaka till en kamera.

Nästa steg är att en algoritm återställer det spridda ljussignalen för att avslöja de dolda föremålen. Denna nya metod kan också avbilda snabbt rörliga föremål, såsom ett slagande hjärta genom bröstet, tack vare dess höga tidsupplösning.

Avbildning utan siktlinje

Det finns ett namn för detta relativt nya forskningsområde som innefattar avbildning av föremål bakom spridande medier: avbildning utan siktlinje (NLoS). Den nya metoden som utvecklats av forskarteamet kan snabbt fånga fullständiga bilder av stora områden, och den gör det med extrem precision och noggrannhet.

Med tanke på den höga upplösningen finns det en möjlighet för den beräkningsmässiga kameran att avbilda genom huden och se små kapillärer.

Det finns många potentiella tillämpningar för denna teknik, inklusive icke-invasiv medicinsk avbildning. Den kan också användas för tidiga varningssystem för fordon och industriell inspektion i trånga utrymmen.

Florian Willomitzer är den första författaren till forskningen.

“Vår teknik kommer att inleda en ny våg av avbildningsförmågor”, sa Willomitzer. “Våra nuvarande sensorprototyper använder synligt eller infrarött ljus, men principen är universell och kan utvidgas till andra våglängder. Till exempel kan samma metod tillämpas på radiovågor för rymdutforskning eller undervattensakustisk avbildning. Den kan tillämpas på många områden, och vi har bara skrapat på ytan.”

Enligt Willomitzer är avbildning runt ett hörn och ett organ i den mänskliga kroppen faktiskt ganska lika.

“Om du någonsin har försökt att lysa med en ficklampa genom din hand, då har du upplevt detta fenomen”, sa Willomitzer. “Du ser en ljus fläck på andra sidan av din hand, men teoretiskt sett borde det finnas en skugga som kastas av dina ben, som avslöjar benens struktur. Istället sprids ljuset som passerar benen inom vävnaden i alla riktningar, vilket helt suddar ut skuggbilden.”

Interception av spritt ljus

Genom att interceptera det spridda ljuset kan den inneboende informationen om dess restid rekonstrueras för att avslöja det dolda föremålet.

“Ingenting är snabbare än ljusets hastighet, så om du vill mäta ljusets restid med hög precision, då behöver du extremt snabba detektorer”, sa Willomitzer. “Sådana detektorer kan vara fruktansvärt dyra.”

För att övervinna denna utmaning kombinerade teamet ljusvågor från två lasrar för att generera en syntetisk ljusvåg som kan anpassas specifikt för holografisk avbildning i olika spridningsscenarier.

“Om du kan fånga hela ljusfältet av ett föremål i ett hologram, då kan du rekonstruera föremålets tredimensionella form i dess helhet”, sa Willomitzer. “Vi gör detta holografiska avbildning runt ett hörn eller genom spridare – med syntetiska vågor istället för vanligt ljus.”

Eftersom ljus reser i raka banor kräver den nya enheten en ogenomskinlig barriär för att se runt hörn. Ljuset emitteras från sensorenheten innan det studsar mot barriären och träffar föremålet runt hörnet. Det studsar sedan tillbaka mot barriären och in i sensorenhetens detektor.

“Det är som om vi kan plantera en virtuell beräkningskamera på varje avlägsen yta för att se världen från ytperspektivet”, sa Willomitzer.

Allt detta innebär att den nya tekniken antingen kan ersätta eller komplettera endoskop för medicinsk och industriell avbildning. Genom dess användning behövs inte längre flexibla kameror för att vända runt hörn och röra sig genom trånga utrymmen. Istället kan syntetisk våglängdsholografi använda ljus för att se runt dessa hörn.