Новая голографическая камера видит невидимое с высокой точностью

Этот новый метод, получивший название синтетической длинноволновой голографии, работает путем косвенного рассеяния когерентного света на скрытые объекты, который затем снова рассеивается и возвращается к камере. Оттуда алгоритм восстанавливает сигнал рассеянного света, чтобы выявить скрытые объекты. Благодаря высокому временному разрешению этот метод также может отображать быстро движущиеся объекты, такие как бьющееся сердце через грудь или мчащиеся машины за углом.

Установка одного из прототипов камеры в лаборатории. Предоставлено: Флориан Уилломитцер / Северо-Западный университет.

Исследование опубликовано 17 ноября в журнале. Nature Communications.

Относительно новая область исследований в области визуализации объектов за окклюзиями или рассеивающими средами называется визуализацией вне зоны прямой видимости (NLoS). По сравнению с родственными технологиями визуализации NLoS, Северо-западный метод позволяет быстро получать полноформатные изображения больших территорий с субмиллиметровой точностью. При таком разрешении компьютерная камера потенциально может снимать изображение сквозь кожу, чтобы увидеть работу даже мельчайших капилляров.

Хотя этот метод имеет очевидный потенциал для неинвазивной медицинской визуализации, навигационных систем раннего предупреждения для автомобилей и промышленного осмотра в тесноте, исследователи полагают, что возможности его применения безграничны.

«Наша технология откроет новую волну возможностей визуализации», – сказал Флориан Вилломитцер из Northwestern, первый автор исследования. «Наши текущие прототипы датчиков используют видимый или инфракрасный свет, но этот принцип универсален и может быть распространен на другие длины волн. Например, тот же метод может быть применен к радиоволнам для исследования космоса или подводной акустической визуализации. Его можно применить ко многим областям, и мы только поцарапали поверхность ».

Уилломитцер – доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии в Северо-западной инженерной школе Маккормика. Среди соавторов Северо-Запада Оливер Коссэрт, доцент информатики, электротехники и вычислительной техники, и бывший доктор философии. студент Фэнцян Ли. Исследователи с Северо-Запада тесно сотрудничали с Прасанной Рангараджаном, Муралидхаром Баладжи и Марком Кристенсеном, исследователями из Южного методистского университета.

Перехват рассеянного света

Видеть за углом и визуализировать орган внутри человеческого тела может показаться совершенно разными проблемами, но Уилломитцер сказал, что на самом деле они тесно связаны. Оба имеют дело с рассеивающими средами, в которых свет падает на объект и рассеивается таким образом, что прямое изображение объекта больше не видно.

«Если вы когда-либо пробовали светить фонариком через руку, значит, вы испытали это явление», – сказал Уилломитцер. «Вы видите яркое пятно на другой стороне руки, но теоретически должна быть тень от ваших костей, открывающая структуру костей. Вместо этого свет, проходящий через кости, рассеивается внутри ткани во всех направлениях, полностью размывая теневое изображение ».

Таким образом, цель состоит в том, чтобы перехватить рассеянный свет, чтобы восстановить внутреннюю информацию о времени его путешествия, чтобы обнаружить скрытый объект. Но в этом есть свои проблемы.

«Нет ничего быстрее скорости света, поэтому, если вы хотите измерить время прохождения света с высокой точностью, вам нужны чрезвычайно быстрые детекторы», – сказал Уилломитцер. «Такие детекторы могут быть ужасно дорогими».

Индивидуальные волны

Чтобы исключить необходимость в быстрых детекторах, Уилломитцер и его коллеги объединили световые волны от двух лазеров, чтобы сгенерировать синтетическую световую волну, которая может быть специально адаптирована для голографических изображений в различных сценариях рассеяния.

«Если вы можете запечатлеть все световое поле объекта на голограмме, то вы сможете полностью восстановить трехмерную форму объекта», – пояснил Уилломитцер. «Мы делаем это голографическое изображение за углом или через рассеиватели – с синтетическими волнами вместо обычных световых волн».

За прошедшие годы было предпринято множество попыток визуализации NLoS для восстановления изображений скрытых объектов. Но у этих методов обычно есть одна или несколько проблем. Они либо имеют низкое разрешение, чрезвычайно малое угловое поле обзора, требуют трудоемкого растрового сканирования или требуют больших зон зондирования для измерения сигнала рассеянного света.

Однако новая технология решает эти проблемы и является первым методом визуализации вокруг углов и через рассеивающую среду, который сочетает в себе высокое пространственное разрешение, высокое временное разрешение, небольшую зону зондирования и большое угловое поле зрения. Это означает, что камера может отображать крошечные объекты в плотно ограниченном пространстве, а также скрытые объекты на больших площадях с высоким разрешением – даже когда объекты движутся.

Превращая стены в зеркала

Поскольку свет распространяется только по прямым путям, должен присутствовать непрозрачный барьер (например, стена, куст или автомобиль), чтобы новое устройство могло заглядывать за углы. Свет излучается сенсорным блоком (который может быть установлен на крыше автомобиля), отражается от барьера, а затем попадает на объект за углом. Затем свет отражается обратно на барьер и в конечном итоге обратно в детектор сенсорного блока.

«Это похоже на то, что мы можем установить виртуальную вычислительную камеру на каждой удаленной поверхности, чтобы увидеть мир с точки зрения поверхности», – сказал Уилломитцер.

Для людей, которые едут по дорогам, изгибающимся через горный перевал или извиваясь через сельский лес, этот метод может предотвратить несчастные случаи, обнаружив другие машины или оленей вне поля зрения за поворотом. «Эта техника превращает стены в зеркала», – сказал Уилломитцер. «Это становится лучше, поскольку эта техника также может работать ночью и в условиях тумана».

Таким образом, технология высокого разрешения также может заменить (или дополнить) эндоскопы для медицинской и промышленной визуализации. Вместо гибкой камеры, способной поворачивать за углы и скручиваться в ограниченном пространстве – например, для колоноскопии – синтетическая голография с длиной волны может использовать свет, чтобы видеть вокруг множества складок внутри кишечника.

Точно так же голография с синтетической длиной волны может отображать изображение внутри промышленного оборудования, пока оно еще работает, что невозможно для современных эндоскопов.

«Если у вас есть работающая турбина, и вы хотите проверить внутренние дефекты, вы обычно используете эндоскоп», – сказал Уилломитцер. «Но некоторые дефекты проявляются только тогда, когда устройство находится в движении. Вы не можете использовать эндоскоп и смотреть внутрь турбины спереди, пока она работает. Наш датчик может заглядывать внутрь работающей турбины и обнаруживать структуры меньше одного миллиметра ».

Хотя эта технология в настоящее время является прототипом, Уилломитцер считает, что в конечном итоге она будет использоваться, чтобы помочь водителям избегать аварий. «Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы увидим подобные модели, встроенные в автомобили или одобренные для использования в медицине», – сказал он. «Может быть, лет 10 или даже больше, но это придет».