Kamera e re holografike sheh të padukshmen me saktësi të lartë

Studiuesit e Universitetit Northwestern kanë shpikur një kamerë të re me rezolucion të lartë që mund të shohë të padukshmen – duke përfshirë rreth qoshet dhe përmes mediave shpërndarëse, si lëkura, mjegulla apo potencialisht edhe kafka e njeriut.

E quajtur holografia sintetike e gjatësisë valore, metoda e re funksionon duke shpërndarë në mënyrë indirekte dritë koherente në objekte të fshehura, e cila më pas shpërndahet përsëri dhe kthehet në një aparat fotografik. Nga atje, një algoritëm rindërton sinjalin e dritës së shpërndarë për të zbuluar objektet e fshehura. Për shkak të rezolucionit të saj të lartë kohor, metoda gjithashtu ka potencial për të imazhuar objekte që lëvizin shpejt, të tilla si zemra që rreh përmes gjoksit ose makina me shpejtësi në një cep të rrugës.

Studimi do të publikohet më 17 nëntor në revistën Nature Communications.

Fusha relativisht e re e kërkimit të objekteve të imazhit pas okluzioneve ose mediave shpërndarëse quhet imazhe jo-line-of-sight (NLoS). Krahasuar me teknologjitë e ngjashme të imazhit NLoS, metoda Northwestern mund të kapë me shpejtësi imazhe në fushë të plotë të zonave të mëdha me saktësi nënmilimetër. Me këtë nivel rezolucioni, kamera kompjuterike potencialisht mund të imazhojë përmes lëkurës për të parë edhe kapilarët më të vegjël në punë.

Ndërsa metoda ka potencial të dukshëm për imazhe mjekësore joinvazive, sisteme navigimi të paralajmërimit të hershëm për automobila dhe inspektim industrial në hapësira të mbyllura fort, studiuesit besojnë se aplikimet e mundshme janë të pafundme.

“Teknologjia jonë do të sjellë një valë të re të aftësive të imazhit,” tha Florian Willomitzer nga Northwestern, autori i parë i studimit. “Prototipet tona aktuale të sensorëve përdorin dritë të dukshme ose infra të kuqe, por parimi është universal dhe mund të shtrihet në gjatësi vale të tjera. Për shembull, e njëjta metodë mund të zbatohet për valët e radios për eksplorimin e hapësirës ose imazhe akustike nënujore. Mund të zbatohet për shumë zona, dhe ne kemi gërvishtur vetëm sipërfaqen”.

Willomitzer është një asistent profesor kërkimor i inxhinierisë elektrike dhe kompjuterike në Shkollën e Inxhinierisë McCormick të Northwestern. Bashkautorët Northwestern përfshijnë Oliver Cossairt, profesor i asociuar i shkencave kompjuterike dhe inxhinierisë elektrike dhe kompjuterike, dhe ish Ph.D. studenti Fengqiang Li. Studiuesit Veriperëndimor bashkëpunuan ngushtë me Prasanna Rangarajan, Muralidhar Balaji dhe Marc Christensen, të gjithë studiues në Universitetin Metodist Jugor.

Të shohësh rreth një qoshe kundrejt imazhit të një organi brenda trupit të njeriut mund të duket si sfida shumë të ndryshme, por Willomitzer tha se ato në të vërtetë janë të lidhura ngushtë. Të dyja merren me media shpërndarëse, në të cilën drita godet një objekt dhe shpërndahet në një mënyrë që një imazh i drejtpërdrejtë i objektit nuk mund të shihet më.

“Nëse keni provuar ndonjëherë të ndriçoni një elektrik dore përmes dorës tuaj, atëherë e keni përjetuar këtë fenomen,” tha Willomitzer. “Ju shihni një pikë të ndritshme në anën tjetër të dorës tuaj, por, teorikisht, duhet të ketë një hije të hedhur nga kockat tuaja, duke zbuluar strukturën e eshtrave. Në vend të kësaj, drita që kalon kockat shpërndahet brenda indeve në të gjitha drejtimet. , duke e turbulluar plotësisht imazhin e hijes.”

Qëllimi, pra, është të kapni dritën e shpërndarë në mënyrë që të rindërtoni informacionin e qenësishëm për kohën e tij të udhëtimit për të zbuluar objektin e fshehur. Por kjo paraqet sfidën e vet.

“Asgjë nuk është më e shpejtë se shpejtësia e dritës, kështu që nëse doni të matni kohën e udhëtimit të dritës me saktësi të lartë, atëherë keni nevojë për detektorë jashtëzakonisht të shpejtë,” tha Willomitzer. “Detektorë të tillë mund të jenë jashtëzakonisht të shtrenjtë.”

Për të eliminuar nevojën për detektorë të shpejtë, Willomitzer dhe kolegët e tij shkrinë valët e dritës nga dy lazer në mënyrë që të gjenerojnë një valë drite sintetike që mund të përshtatet në mënyrë specifike për imazhin holografik në skenarë të ndryshëm shpërndarjeje.

“Nëse mund të kapni të gjithë fushën e dritës së një objekti në një hologram, atëherë mund të rindërtoni formën tredimensionale të objektit në tërësinë e tij,” shpjegoi Willomitzer. “Ne e bëjmë këtë imazh holografik rreth një cepi ose përmes shpërndarësve – me valë sintetike në vend të valëve normale të dritës.”

Gjatë viteve, ka pasur shumë përpjekje për imazhe NLoS për të rikuperuar imazhet e objekteve të fshehura. Por këto metoda zakonisht kanë një ose më shumë probleme. Ata ose kanë rezolucion të ulët, një fushë këndore jashtëzakonisht të vogël shikimi, kërkojnë një skanim raster që kërkon shumë kohë ose kanë nevojë për zona të mëdha kërkimi për të matur sinjalin e dritës së shpërndarë.

Teknologjia e re, megjithatë, i kapërcen këto probleme dhe është metoda e parë për imazhe rreth qosheve dhe përmes mediave shpërndarëse që kombinon rezolucion të lartë hapësinor, rezolucion të lartë kohor, një zonë të vogël kërkimi dhe një fushë të madhe këndore të shikimit. Kjo do të thotë që kamera mund të imazhojë veçori të vogla në hapësira të mbyllura fort, si dhe objekte të fshehura në zona të mëdha me rezolucion të lartë—edhe kur objektet janë në lëvizje.

Për shkak se drita udhëton vetëm në shtigje të drejta, një pengesë e errët (si muri, shkurre ose automobil) duhet të jetë e pranishme në mënyrë që pajisja e re të shohë rreth qoshet. Drita lëshohet nga njësia e sensorit (e cila mund të montohet në majë të një makine), tërhiqet nga pengesa dhe më pas godet objektin rreth qoshes. Drita më pas kthehet në barrierë dhe përfundimisht kthehet në detektorin e njësisë së sensorit.

“Është sikur ne mund të vendosim një kamerë virtuale llogaritëse në çdo sipërfaqe të largët për të parë botën nga perspektiva e sipërfaqes,” tha Willomitzer.

Për njerëzit që ngasin rrugët duke u përkulur nëpër një kalim malor ose duke gjarpëruar nëpër një pyll rural, kjo metodë mund të parandalojë aksidentet duke zbuluar makina të tjera ose drerë që nuk shihen rreth kthesës. “Kjo teknikë i kthen muret në pasqyra,” tha Willomitzer. “Përmirësohet pasi teknika gjithashtu mund të funksionojë natën dhe në kushtet e motit me mjegull.”

Në këtë mënyrë, teknologjia me rezolucion të lartë mund të zëvendësojë (ose plotësojë) endoskopët për imazhe mjekësore dhe industriale. Në vend që të nevojitet një aparat fotografik fleksibël, i aftë për të kthyer qoshet dhe përdredhur nëpër hapësira të ngushta – për shembull, për një kolonoskopi – holografia me gjatësi vale sintetike mund të përdorë dritën për të parë rreth palosjeve të shumta brenda zorrëve.

Në mënyrë të ngjashme, holografia sintetike me gjatësi vale mund të imazhojë brenda pajisjes industriale ndërsa ajo është ende në punë – një arritje që është e pamundur për endoskopët aktualë.

“Nëse keni një turbinë që funksionon dhe dëshironi të inspektoni defektet brenda, zakonisht do të përdorni një endoskop,” tha Willomitzer. “Por disa defekte shfaqen vetëm kur pajisja është në lëvizje. Ju nuk mund të përdorni një endoskop dhe të shikoni brenda turbinës nga përpara ndërsa ajo është në punë. Sensori ynë mund të shikojë brenda një turbine që funksionon për të zbuluar struktura që janë më të vogla se një milimetër. “

Megjithëse teknologjia është aktualisht një prototip, Willomitzer beson se përfundimisht do të përdoret për të ndihmuar shoferët të shmangin aksidentet. “Është ende shumë për të bërë përpara se të shohim këto lloj imazherësh të ndërtuar në makina ose të miratuara për aplikime mjekësore,” tha ai. “Ndoshta 10 vjet apo edhe më shumë, por do të vijë”.