Голографічна камера розсіює світло, щоб бачити за кути

Команда дослідників з Північно-Західного університету винайшла нову високороздільну камеру, яка може бачити за кути та крізь розсіювальні середовища, які можуть бути будь-чим, від шкіри до туману.

Дослідження було опубліковано 18 листопада у журналі Nature Communications.

Новий метод називається синтетичною хвильовою голографією, і він опосередковано розсіює когерентне світло на приховані об’єкти. Когерентне світло потім знову розсіюється, перш ніж повернутися до камери.

Наступний крок полягає в тому, щоб алгоритм відтворив розсіяний сигнал світла, щоб показати приховані об’єкти. Цей новий метод також може зображувати швидко рухомі об’єкти, такі як биття серця через груди, завдяки його високій часовій роздільності.

Зображення поза лінією виду

Є назва для цього відносно нового напрямку досліджень, який涉ляє зображення об’єктів поза розсіювальними середовищами: зображення поза лінією виду (NLoS). Новий метод, розроблений командою дослідників, може швидко захоплювати повні поля зображень великих площ, і він робить це з екстремальною точністю та точністю.

Враховуючи високий рівень роздільності, існує можливість для обчислювальної камери зображати крізь шкіру, щоб побачити дрібні капіляри.

Є багато потенційних застосувань для цієї технології, включаючи неінвазивне медичне зображення. Вона також може бути використана для раннього попередження навігаційних систем для автомобілів та промислової інспекції в обмежених просторах.

Флоріан Вілломітцер є першим автором дослідження.

“Наша технологія розпочне нову хвилю можливостей зображення”, – сказав Вілломітцер. “Наші поточні прототипи сенсорів використовують видиме або інфрачервоне світло, але принцип універсальний і може бути розширений на інші довжини хвиль. Наприклад, той же метод може бути застосований до радіохвиль для дослідження космосу або підводної акустичної зйомки. Він може бути застосований до багатьох областей, і ми тільки почали досліджувати його можливості.”

Згідно з Вілломітцером, зображення за кути та органу всередині людського тіла насправді досить подібні.

“Якщо ви коли-небудь намагалися засвітити ліхтарем крізь свою руку, то ви вже відчули це явище”, – сказав Вілломітцер. “Ви бачите яскраву пляму на іншій стороні вашої руки, але, теоретично, там повинен бути тінь, відкинута вашими кістками, яка показує структуру кісток. Замість цього світло, яке проходить крізь кістки, розсіюється всередині тканини в усіх напрямках, повністю розмиваючи зображення тіні.”

Перехоплення розсіяного світла

Перехоплюючи розсіяне світло, можна відтворити інформацію про час його проходження, щоб показати прихований об’єкт.

“Нічого не може бути швидшим за швидкість світла, тому якщо ви хочете виміряти час проходження світла з високою точністю, то вам потрібні дуже швидкі детектори”, – сказав Вілломітцер. “Такі детектори можуть бути дуже дорогими.”

Щоб подолати цю проблему, команда об’єднала світлові хвилі від двох лазерів, щоб створити синтетичну світлову хвилю, яка може бути спеціально налаштована для голографічного зображення в різних розсіювальних сценаріях.

“Якщо ви можете захопити весь світловий потік об’єкта в голограмі, то ви можете відтворити трикутну форму об’єкта в його цілості”, – сказав Вілломітцер. “Ми робимо це голографічне зображення за кути або крізь розсіювачі – з синтетичними хвилями замість нормального світла.”

Оскільки світло рухається по прямим шляхам, новий пристрій потребує непрозорого бар’єру, щоб бачити за кути. Світло випромінюється від сенсорної одиниці, перш ніж відбивається від бар’єру та потрапляє на об’єкт за кути. Потім воно знову відбивається від бар’єру та повертається до детектора сенсорної одиниці.

“Це як ніби ми можемо встановити віртуальну обчислювальну камеру на кожній віддаленій поверхні, щоб бачити світ з перспективи цієї поверхні”, – сказав Вілломітцер.

Все це означає, що нова технологія може замінити або доповнити ендоскопи для медичного та промислового зображення. Завдяки її застосуванню гнучкі камери більше не потрібні, щоб повертати кути та рухатися крізь тісні простори. Замість цього синтетична хвильова голографія може використовувати світло, щоб бачити за ці кути.