O nouă cameră holografică vede lucruri greu sau imposibil de observat cu ochiul liber, cu mare precizie

Cercetătorii de la Northwestern University au inventat o nouă cameră de înaltă rezoluție care poate vedea nevăzutul, inclusiv în jurul colțurilor și prin medii de împrăștiere, cum ar fi pielea, ceața sau chiar și craniul uman. Numită holografie sintetică a lungimii de undă, noua metodă funcționează prin împrăștierea indirectă a luminii coerente pe obiectele ascunse, care apoi se împrăștie din nou și călătorește înapoi la o cameră. De acolo, un algoritm reconstruiește semnalul luminos împrăștiat pentru a dezvălui obiectele ascunse. Datorită rezoluției sale temporale ridicate, metoda are, de asemenea, potențialul de a imagini obiecte care se mișcă rapid, cum ar fi inima care bate prin piept sau mașini care trec cu viteză la colțul străzii.

Domeniul relativ nou de cercetare al imaginii obiectelor din spatele ocluziilor sau al mediilor de împrăștiere se numește imagistica non-line-of-sight (NLoS). În comparație cu tehnologiile de imagistică NLoS aferente, metoda Northwestern poate captura rapid imagini de câmp complet ale zonelor mari cu precizie submilimetrică. Cu acest nivel de rezoluție, camera de calcul ar putea capta imagini prin piele pentru a vedea chiar și cele mai mici capilare la lucru. În timp ce metoda are un potențial evident pentru imagistica medicală neinvazivă, sisteme de navigație de avertizare timpurie pentru automobile și inspecție industrială în spații strâns închise, cercetătorii cred că potențialele aplicații sunt nesfârșite.

„Tehnologia noastră va introduce un nou val de capacități de imagistică”, a spus Florian Willomitzer, primul autor al studiului, de la Northwestern. „Prototipurile noastre actuale de senzori folosesc lumină vizibilă sau infraroșie, dar principiul este universal și ar putea fi extins la alte lungimi de undă. De exemplu, aceeași metodă ar putea fi aplicată undelor radio pentru explorarea spațiului sau imagistica acustică subacvatică. Poate fi aplicată la multe zone și am zgâriat doar suprafața.” Willomitzer este profesor asistent de cercetare de inginerie electrică și computerizată la Școala de Inginerie McCormick din Northwestern. Co-autorii din Northwestern includ Oliver Cossairt, profesor asociat de informatică și inginerie electrică și informatică și fost doctor. student Fengqiang Li. Cercetătorii Northwestern au colaborat îndeaproape cu Prasanna Rangarajan, Muralidhar Balaji și Marc Christensen, toți cercetători de la Southern Methodist University.

 „Dacă ați încercat vreodată să aprindeți o lanternă în mână, atunci ați experimentat acest fenomen”, a spus Willomitzer. „Vedeți un punct luminos pe cealaltă parte a mâinii, dar, teoretic, ar trebui să existe o umbră aruncată de oase, care să dezvăluie structura oaselor. În schimb, lumina care trece prin oase este împrăștiată în țesut în toate direcțiile. , estompând complet imaginea în umbră.” Prin urmare, scopul este de a intercepta lumina împrăștiată pentru a reconstrui informațiile inerente despre timpul călătoriei sale pentru a dezvălui obiectul ascuns. Dar asta prezintă propria provocare. „Nimic nu este mai rapid decât viteza luminii, așa că dacă doriți să măsurați timpul de călătorie al luminii cu mare precizie, atunci aveți nevoie de detectoare extrem de rapide”, a spus Willomitzer. „Astfel de detectoare pot fi teribil de scumpe”.

Pentru a elimina nevoia de detectoare rapide, Willomitzer și colegii săi au fuzionat undele luminoase de la două lasere pentru a genera o undă luminoasă sintetică care poate fi adaptată în mod specific imaginilor holografice în diferite scenarii de împrăștiere. „Dacă puteți captura întregul câmp luminos al unui obiect într-o hologramă, atunci puteți reconstrui forma tridimensională a obiectului în întregime”, a explicat Willomitzer. „Facem această imagine holografică în jurul unui colț sau prin difuzoare – cu unde sintetice în loc de unde luminoase normale.” De-a lungul anilor, au existat multe încercări de imagistică NLoS de a recupera imagini ale obiectelor ascunse. Dar aceste metode au de obicei una sau mai multe probleme. Fie au o rezoluție scăzută, un câmp unghiular de vedere extrem de mic, necesită o scanare raster consumatoare de timp, fie au nevoie de zone mari de sondare pentru a măsura semnalul de lumină împrăștiat. Noua tehnologie, totuși, depășește aceste probleme și este prima metodă de imagistică în jurul colțurilor și prin medii de împrăștiere care combină rezoluția spațială mare, rezoluția temporală mare, o zonă mică de sondare și un câmp vizual unghiular mare. Aceasta înseamnă că camera poate imaginea mici caracteristici în spații strâns înguste, precum și obiecte ascunse în zone mari, cu rezoluție înaltă, chiar și atunci când obiectele sunt în mișcare.

Transformarea „pereților în oglinzi”

Deoarece lumina circulă doar pe căi drepte, o barieră opacă (cum ar fi un perete, un arbust sau un automobil) trebuie să fie prezentă pentru ca noul dispozitiv să vadă în jurul colțurilor. Lumina este emisă de unitatea senzorului (care ar putea fi montată deasupra unei mașini), sare de barieră, apoi lovește obiectul din colț. Lumina revine apoi la barieră și în cele din urmă înapoi în detectorul unității senzorului. „Este ca și cum am putea instala o cameră virtuală de calcul pe fiecare suprafață îndepărtată pentru a vedea lumea din perspectiva suprafeței”, a spus Willomitzer. Pentru persoanele care conduc drumuri care curbează printr-un pas de munte sau șerpuiesc printr-o pădure rurală, această metodă ar putea preveni accidentele prin dezvăluirea altor mașini sau căprioare care nu sunt vizibile în jurul curbei. „Această tehnică transformă pereții în oglinzi”, a spus Willomitzer. „Se îmbunătățește, deoarece tehnica poate funcționa și noaptea și în condiții de ceață.”

În acest fel, tehnologia de înaltă rezoluție ar putea înlocui (sau completa) endoscoapele pentru imagistica medicală și industrială. În loc să aibă nevoie de o cameră flexibilă, capabilă să întoarcă colțurile și să se răsucească prin spații înguste – pentru o colonoscopie, de exemplu – holografia sintetică cu lungimea de undă ar putea folosi lumina pentru a vedea în jurul numeroaselor pliuri din interiorul intestinelor. În mod similar, holografia sintetică a lungimii de undă ar putea imaginea în interiorul echipamentului industrial în timp ce acesta încă funcționează – o performanță care este imposibilă pentru endoscoapele actuale. „Dacă aveți o turbină în funcțiune și doriți să inspectați defectele din interior, de obicei ați folosi un endoscop”, a spus Willomitzer. „Dar unele defecte apar doar atunci când dispozitivul este în mișcare. Nu puteți folosi un endoscop și nu puteți privi în interiorul turbinei din față în timp ce aceasta funcționează. Senzorul nostru poate privi în interiorul unei turbine în funcțiune pentru a detecta structuri mai mici de un milimetru. ” Deși tehnologia este în prezent un prototip, Willomitzer crede că în cele din urmă va fi folosită pentru a ajuta șoferii să evite accidentele. „Mai este un drum lung de parcurs până să vedem aceste tipuri de aparate de imagine construite în mașini sau aprobate pentru aplicații medicale”, a spus el. „Poate 10 ani sau chiar mai mult, dar va veni”. Sursa: phys.org