新型全息照相机能高精度地捕捉不可见的东西

一个在实验室的相机原型的设置。
图片来源:Florian Willomitzer/西北大学

该设备可以看到拐角处,并通过散射介质,如雾和人体组织。

美国西北大学的研究人员发明了一种新的高分辨率相机,它可以看到看不见的东西,包括在拐角处,以及通过散射介质,如皮肤、雾,甚至可能是人的头骨。

这种被称为合成波长全息术的新方法通过间接将相干光散射到隐藏物体上,然后这些物体再次散射并返回到相机。从那里,一个算法重建散射光信号揭示隐藏的对象。由于其高时间分辨率,该方法也有潜力成像快速移动的物体,如跳动的心脏通过胸部或超速行驶的汽车在街角。

这项研究将于11月17日发表在该杂志上自然通讯。

遮挡或散射介质后的成像对象是一个比较新的研究领域,称为非视距成像。与相关的非los成像技术相比,西北大学的方法可以快速捕捉亚毫米精度的大面积全场图像。有了这样的分辨率,计算机摄像机就有可能通过皮肤成像,看到工作中最微小的毛细血管。

尽管该方法在无创医学成像、汽车预警导航系统以及密闭空间的工业检测方面有明显的潜力,但研究人员认为其潜在应用是无止境的。

“我们的技术将引领一波新的成像能力,”西北大学说Florian Willomitzer他是这项研究的第一作者。“我们目前的传感器原型使用可见光或红外光,但其原理是通用的,可以扩展到其他波长。例如,同样的方法可以应用于空间探索或水声成像的无线电波。它可以应用于许多领域,而我们只是触及了皮毛。”

Willomitzer是西北大学电子和计算机工程研究助理教授麦考密克工程学院.西北大学的合作者包括奥利弗Cossairt计算机科学与电子与计算机工程副教授,博士生李凤强。西北大学的研究人员与南卫理公会大学的研究人员Prasanna Rangarajan、Muralidhar Balaji和Marc Christensen密切合作。

拦截散射光

在拐角处观察和在人体内部成像可能看起来是非常不同的挑战,但Willomitzer说它们实际上是密切相关的。这两种方法都涉及散射介质,即光线击中物体并以一种无法再看到物体直接图像的方式散射。

“如果你曾经试过用手电筒照过你的手,那么你就会经历这种现象,”Willomitzer说。“你看到你的另一边有一个亮点,但是,理论上,你的骨头应该有一个阴影,显示出骨头的结构。相反,通过骨骼的光线会在组织中分散到各个方向,完全模糊了阴影图像。”

因此,目标是拦截散射的光,以重建关于其旅行时间的固有信息,以揭示隐藏的物体。但这也带来了挑战。

“没有什么比光速更快,所以如果你想要高精度地测量光的传播时间,那么你就需要非常快的探测器,”Willomitzer说。“这种探测器可能非常昂贵。”

定制的波

为了消除对快速探测器的需求,Willomitzer和他的同事们合并了来自两个激光器的光波,以产生一种合成光波,这种合成光波可以在不同的散射场景下专门定制全息成像。

“如果你能在全息图中捕捉到一个物体的整个光场,那么你就能完整地重建这个物体的三维形状,”Willomitzer解释道。“我们利用合成波而不是普通光波,在拐角处或通过散射器进行全息成像。”

多年来,有许多非los成像尝试恢复隐藏物体的图像。但这些方法通常有一个或多个问题。它们要么分辨率低,视野角极小,需要耗时的光栅扫描,要么需要大的探测区域来测量散射光信号。

然而,这项新技术克服了这些问题,并且是第一种结合了高空间分辨率、高时间分辨率、小探测区域和大角度视场的拐角和散射介质成像方法。这意味着相机可以在狭窄的空间里拍摄微小的特征,也可以在大范围内拍摄高分辨率的隐藏物体——即使物体在移动。

把“墙变成镜子”

因为光只能在直线上传播,所以必须有一个不透明的屏障(如墙、灌木或汽车),以便新设备能够看到拐角处。光线从传感器单元(可以安装在汽车顶部)发出,从屏障反弹,然后击中拐角处的物体。然后光线反射回屏障,最终返回到传感器单元的探测器。

“这就像我们可以在每一个遥远的表面上放置一个虚拟的计算照相机,从表面的角度看世界,”Willomitzer说。

在山口或乡村森林中行驶时,如果在拐弯处出现视线之外的车辆或鹿,就可以避免事故的发生。“这种技术可以把墙壁变成镜子,”Willomitzer说。“这项技术还可以在夜间和雾天条件下工作,因此效果会更好。”

通过这种方式,高分辨率技术也可以取代(或补充)医学和工业成像的内窥镜。例如,在结肠镜检查中,合成波长全息术不需要能够旋转和扭转狭窄空间的柔性摄像机,而是利用光来观察肠道内的许多褶皱。

同样,合成波长全息术可以在工业设备运行时在其内部成像——这是目前的内窥镜无法实现的壮举。

Willomitzer说:“如果你有一个运行中的涡轮机,想要检查内部的缺陷,你通常会使用内窥镜。”但有些缺陷只在设备运行时才会显现出来。你不能使用内窥镜和查看内部涡轮从前面,而它是运行。我们的传感器可以观察运转中的涡轮机内部,探测小于一毫米的结构。”

虽然这项技术目前还处于雏形阶段,但Willomitzer相信它最终会被用于帮助司机避免事故。他说:“在我们看到这种成像仪安装在汽车上或被批准用于医疗应用之前,还有很长的路要走。”“也许10年甚至更久,但它终将到来。”

这项名为“使用合成波长全息术的高分辨率宽视场快速非视线成像”的研究得到了美国国防部高级研究计划局(REVEAL项目HR0011-16-C-0028)、美国国家科学基金会(CAREER is -1453192)和美国海军研究办公室(N00014-15-1-2735)的支持。

日报:自然通讯
DOI:10.1038 / s41467 - 021 - 26776 - w
研究方法:实验研究
研究课题:不适用
文章标题:利用合成波长全息术实现高分辨率和宽视场的快速非视距成像
文章发表日期:2021年11月17日

媒体接触

阿曼达·莫里斯
西北大学
amandamo@northwestern.edu
办公室:847-467-6790

专家联系

Florian Willomitzer
西北大学
florian.willomitzer@northwestern.edu

www.northwestern.edu

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