墻變成鏡子！美國西北大學(xué)華人研發(fā)最強****相機(jī)，光波全息成像「看穿一切」

【導(dǎo)讀】西北大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新的高分辨率****相機(jī)，可以透過散射介質(zhì)，如皮膚、霧等等看到之前看不見的東西，這種方法被稱為合成波長全息術(shù)（synthetic wavelength holography）。

怎么樣才能擁有一雙「****眼」呢？

 

這不，西北大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種幾乎可以看穿任何東西的相機(jī)，讓你秒變****眼！

 

據(jù)此，西北大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新的高分辨率相機(jī)，可以透過散射介質(zhì)，如皮膚、霧，甚至可能是人類頭骨等等看到之前他們看不見的東西。

 

 

這種被稱為合成波長全息術(shù)（synthetic wavelength holography）的新方法是通過將相干光間接散射到隱藏的物體上，然后光在這些物體再次散射并傳播回相機(jī)。

 

這時，利用一個算法重建散射光信號，就可以揭示隱藏的物體。

 

由于其高時間分辨率，該方法還具有對快速移動的物體成像的潛力，例如通過胸腔跳動的心臟或街角超速行駛的汽車，因此它可以用于汽車的預(yù)警導(dǎo)航系統(tǒng)或非侵入性醫(yī)療成像。

 

 

這項研究發(fā)表在11月17日的《自然·通訊》雜志上。

 

對遮擋或散射介質(zhì)后面的物體進(jìn)行成像，這種相對較新的研究領(lǐng)域被稱為「非視線成像」（non-line-of-sight，NLoS）。

 

 

與相關(guān)的非視線成像技術(shù)相比，西北大學(xué)的方法能夠以亞毫米精度快速捕獲大面積的全場圖像。

 

在這種分辨率下，計算相機(jī)可以透過皮膚成像，甚至可以看到最微小的毛細(xì)血管在工作。

 

這種方法目前在非侵入性醫(yī)學(xué)成像、汽車預(yù)警導(dǎo)航系統(tǒng)以及在密閉空間的工業(yè)檢測方面已經(jīng)具有明顯的潛力，但研究人員認(rèn)為其潛在的應(yīng)用價值是無窮無盡的。

 

「我們的技術(shù)將迎來一波新的成像能力」，該研究的第一作者、麥考密克工程學(xué)院的Florian Willomitzer說。

 

「我們目前的傳感器原型使用可見光或紅外光，但原理是通用的，可以擴(kuò)展到其他波長。例如，同樣的方法可以應(yīng)用于空間探索或水聲成像的無線電波。它可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，我們目前只是觸及了表面?！?/span>

 

Florian Willomitzer是麥考密克工程學(xué)院電氣和計算機(jī)工程的研究助理教授。本篇文章的合著者包括計算機(jī)科學(xué)、電氣和計算機(jī)工程副教授Oliver Cossairt和前博士生Fengqiang Li。

 

****散射光

 

看到一個角落和想象人體內(nèi)的一個器官似乎是非常不同的挑戰(zhàn)，但Florian Willomitzer說它們實際上是密切相關(guān)的。兩者都涉及散射介質(zhì)，其中，光擊中物體散射時，物體的直接圖像就不可見了。

 

 

「如果你曾經(jīng)試圖用手捂住手電筒，那么你就經(jīng)歷過這種現(xiàn)象，」Florian Willomitzer說。

 

「你看到你手的另一邊有一個亮點，理論上，你的骨頭應(yīng)該有一個陰影，揭示了骨頭的結(jié)構(gòu)。但是，穿過骨骼的光線在組織內(nèi)向各個方向散射，完全模糊了陰影圖像?！?/span>

 

因此，研究人員的目標(biāo)是截取散射光，以重建其傳播時間的固有信息，從而揭示隱藏的物體，但這也帶來了挑戰(zhàn)。

 

「沒有什么比光速更快，所以如果你想高精度地測量光的傳播時間，那么你需要速度極快的探測器」，Willomitzer說，「而這種探測器非常昂貴」。

 

量身定做的光波

為了消除對快速探測器的需求，F(xiàn)lorian Willomitzer和他的同事合并了來自兩個激光器的光波，以產(chǎn)生一種合成光波，該光波可以專門針對不同散射場景下的全息成像進(jìn)行定制。

 

「如果你能在全息圖中捕捉到物體的整個光場，那么你就能完整地重建物體的三維形狀」，F(xiàn)lorian Willomitzer解釋道，「我們在拐角處或通過散射體進(jìn)行全息成像，不同的是，用合成波代替普通光波。」

 

目前的傳感器原型使用可見光或紅外光，但背后原理是通用的，可以擴(kuò)展到其他波長。同樣的方法可以應(yīng)用于空間探索，或水聲成像的無線電波。這項研究成果未來可以用于許多領(lǐng)域，目前的研究只是一個開始。

 

近年來，已經(jīng)有不少研究基于非視線成像（NLoS）原理，嘗試恢復(fù)隱藏目標(biāo)的圖像。但是這些方法通常都有不同程度的問題。要么分辨率低，視角極小，需要耗時的光柵掃描，要么需要大的探測區(qū)域來測量散射光信號。

 

 

這次西北大學(xué)的研究解決了這些問題，是第一種通過散射介質(zhì)在拐角附近成像的方法，同時具備高空間分辨率、高時間分辨率、小探測區(qū)域和大角度視場等優(yōu)勢。

 

也就是說，相機(jī)能以高分辨率對狹窄空間中的微小特征和大型隱藏物體進(jìn)行成像，移動目標(biāo)也不在話下。

 

把墻「變成鏡子」

 

因為光只能在直線路徑上傳播，所以必須有一個不透明的屏障（如墻、灌木或汽車）才能讓新設(shè)備看到角落周圍。

 

光線從傳感器單元（可以安裝在汽車頂部）發(fā)出，從障礙物上反射，然后照射到拐角處的物體上。然后，光線反射回屏障，最終返回傳感器單元的檢測器。

 

「這就像我們可以在每一個遙遠(yuǎn)的表面上種植一個虛擬計算相機(jī)，從表面的角度來看世界」，F(xiàn)lorian Willomitzer說。

 

對于駕車穿過山口或蜿蜒穿過鄉(xiāng)村森林的人來說，這種方法可以通過顯示彎道附近看不見的其他汽車或鹿來防止事故。

 

「這種技術(shù)把墻變成了鏡子。它變得更好，因為這項技術(shù)也可以在夜間和霧天工作」，F(xiàn)lorian Willomitzer說。

 

 

以這種方式，高分辨率技術(shù)也可以替代（或補充）用于醫(yī)療和工業(yè)成像的內(nèi)窺鏡。合成波長全息術(shù)可以利用光來觀察腸道內(nèi)的許多褶皺，而不是需要一個能夠在狹窄空間轉(zhuǎn)彎和扭曲的柔性攝像機(jī)，例如用于結(jié)腸鏡檢查。

 

類似地，合成波長全息術(shù)可以在工業(yè)設(shè)備運行時在設(shè)備內(nèi)部成像——這是目前內(nèi)窺鏡無法實現(xiàn)的壯舉。

 

「如果你有一臺運轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)，想要檢查里面的缺陷，你通常會使用內(nèi)窺鏡，」Florian Willomitzer說?！傅行┤毕葜挥性谠O(shè)備運行時才會顯現(xiàn)出來。渦輪運轉(zhuǎn)時，您不能使用內(nèi)窺鏡從前面看渦輪內(nèi)部。我們的傳感器可以觀察運行中的渦輪機(jī)內(nèi)部，以檢測小于1毫米的結(jié)構(gòu)?！?/span>

 

盡管這項技術(shù)目前只是一個原型，但Florian Willomitzer相信它最終會被用來幫助司機(jī)避免事故。他說:「在我們看到這種內(nèi)置在汽車中或被批準(zhǔn)用于醫(yī)療應(yīng)用的成像器之前，還有很長的路要走?！敢苍S10年甚至更久，但它會到來?！?/span>

參考資料：

https://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2021/11/new-holographic-camera-sees-the-unseen-with-high-precision/ https://www.nature.com/articles/s41467-021-26776-w#Sec2

來源：新智元

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