Новый метод, называемый синтетической волновой голографией, работает путем косвенного рассеивания когерентного света на скрытые объекты, который затем снова рассеивается и возвращается в камеру. Оттуда алгоритм реконструирует рассеянный световой сигнал, чтобы выявить скрытые объекты. Благодаря высокому временному разрешению этот метод также потенциально может отображать быстро движущиеся объекты, такие как бьющееся сердце в грудной клетке или мчащиеся автомобили за углом улицы.

Исследование будет опубликовано 17 ноября в журнале Природные коммуникации.

Относительно новая область исследований, связанная с визуализацией объектов за окклюзиями или рассеивающими средами, называется визуализацией вне прямой видимости (NLoS). По сравнению с аналогичными технологиями визуализации NLoS северо-западный метод позволяет быстро получать изображения в полном поле больших площадей с субмиллиметровой точностью. С таким уровнем разрешения вычислительная камера потенциально может получать изображение через кожу, чтобы увидеть даже мельчайшие капилляры в действии.

Хотя этот метод обладает очевидным потенциалом для неинвазивной медицинской визуализации, систем навигации раннего предупреждения для автомобилей и промышленного контроля в строго ограниченных пространствах, исследователи полагают, что потенциальные области применения безграничны.

"Наша технология откроет новую волну возможностей визуализации", - сказал Флориан Вилломитцер из Northwestern, первый автор исследования. "Наши нынешние прототипы датчиков используют видимый или инфракрасный свет, но 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 наносить на многие участки, а мы только поцарапали поверхность".

Уилломитцер - ассистент-исследователь кафедры электротехники и вычислительной техники в Северо-Западной инженерной школе Маккормика. В число северо-западных соавторов входят Оливер Коссэрт, адъюнкт-профессор компьютерных наук, электротехники и вычислительной техники, и бывший аспирант Фэнцян Ли. Северо-западные исследователи тесно сотрудничали с Прасанной Рангараджан, Муралидхаром Баладжи и Марком Кристенсеном, всеми исследователями Южного методистского университета.

Перехват рассеянного света

Видение за углом и визуализация органа внутри человеческого тела могут показаться совершенно разными задачами, но Вилломитцер сказал, что на самом деле они тесно связаны. Оба имеют дело с рассеивающими средами, в которых свет попадает на объект и рассеивается таким образом, что прямое изображение объекта больше не может быть видно.

"Если вы когда-либо пытались посветить фонариком через руку, то вы испытали это явление", - сказал Вилломитцер. "Вы видите яркое пятно на другой стороне вашей руки, но, теоретически, от ваших костей должна быть тень, раскрывающая 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 присущую ему информацию о времени его прохождения, чтобы выявить скрытый объект. Но это представляет собой свою собственную проблему.

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

Специально подобранные волны

Чтобы устранить необходимость в быстрых детекторах, Вилломитцер и его коллеги объединили световые волны от двух лазеров, чтобы сгенерировать синтетическую световую волну, которая может быть специально адаптирована для голографического изображения в различных сценариях рассеяния.

"Если вы можете запечатлеть все световое поле объекта в голограмме, то вы можете полностью восстановить трехмерную форму объекта", - объяснил Вилломитцер. "Мы делаем это голографическое изображение за углом или с помощью рассеивателей - с помощью синтетических волн вместо обычных световых волн".

На протяжении многих лет было предпринято множество попыток визуализации NLoS для восстановления изображений скрытых объектов. Но эти методы обычно имеют одну или несколько проблем. Они либо имеют низкое разрешение, чрезвычайно малое угловое поле обзора, требуют трудоемкого растрового сканирования, либо требуют больших зон зондирования для измерения рассеянного светового сигнала.

Новая технология, однако, преодолевает эти проблемы и является первым методом получения изображений за углами и через рассеивающие среды, который сочетает в себе высокое пространственное разрешение, высокое временное разрешение, небольшую площадь зондирования и большое угловое поле зрения. Это означает, что камера может отображать крошечные объекты в строго ограниченном пространстве, а также скрытые объекты на больших площадях с высоким разрешением - даже когда объекты движутся.

Превращение "стен в зеркала"

Поскольку свет распространяется только по прямым траекториям, необходимо наличие непрозрачного барьера (такого как стена, кустарник или автомобиль), чтобы новое устройство могло заглядывать за углы. Свет исходит от сенсорного блока (который может быть установлен на крыше автомобиля), отражается от барьера, затем попадает на объект за углом. Затем свет отражается обратно к барьеру и, в конечном счете, 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 Вилломитцер.

Для людей, которые едут по дорогам, извилистым через горный перевал или извивающимся через сельский лес, этот метод может предотвратить несчастные случаи, обнаруживая другие автомобили или оленей вне поля зрения за поворотом. "Эта техника превращает стены в зеркала", - сказал Вилломитцер. "Это становится лучше, поскольку техника также может работать ночью и в туманных погодных условиях".

Таким образом, технология высокого разрешения также может заменить (или дополнить) эндоскопы для медицинской и промышленной визуализации. Вместо того, чтобы использовать гибкую камеру, способную поворачивать за углы и проходить в труднодоступных местах - например, для колоноскопии, - синтетическая голография с длиной волны может использовать свет, чтобы видеть множество складок внутри кишечника.

Аналогичным образом, голография с синтетической длиной волны может создавать изображения внутри промышленного оборудования во время его работы - подвиг, который невозможен для современных эндоскопов.

"Если у вас есть работающая турбина и вы хотите осмотреть дефекты внутри, вы обычно используете эндоскоп", - сказал Вилломитцер. "Но некоторые дефекты проявляются только тогда, когда устройство находится в движении. Вы не можете использовать эндоскоп и заглядывать внутрь турбины спереди, пока она работает. Наш датчик может заглядывать внутрь работающей турбины и обнаруживать структуры размером менее одного миллиметра".

Хотя в настоящее время технология является прототипом, Вилломитцер считает, что в конечном итоге она будет использоваться, чтобы помочь водителям избежать аварий. "Предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем мы увидим, что подобные тепловизоры встроены в автомобили или одобрены для медицинского применения", - сказал он. "Может быть, 10 лет или даже больше, но это придет".