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墙变成镜子!最强透视相机出现,光波全息成像「看穿一切」
2021-11-24 10:48:36

编辑:小咸鱼 David

【新智元导读】西北大学的研究人员发明了一种新的高分辨率透视相机,可以透过散射介质,如皮肤、雾等等看到之前看不见的东西,这种方法被称为合成波长全息术(synthetic wavelength holography)。

怎么样才能拥有一双「透视眼」呢?


这不,西北大学的研究人员发明了一种几乎可以看穿任何东西的相机,让你秒变透视眼!


据此,西北大学的研究人员发明了一种新的高分辨率相机,可以透过散射介质,如皮肤、雾,甚至可能是人类头骨等等看到之前他们看不见的东西。


这种被称为合成波长全息术(synthetic wavelength holography)的新方法是通过将相干光间接散射到隐藏的物体上,然后光在这些物体再次散射并传播回相机。


这时,利用一个算法重建散射光信号,就可以揭示隐藏的物体。


由于其高时间分辨率,该方法还具有对快速移动的物体成像的潜力,例如通过胸腔跳动的心脏或街角超速行驶的汽车,因此它可以用于汽车的预警导航系统或非侵入性医疗成像。


https://www.nature.com/articles/s41467-021-26776-w#Sec2

这项研究发表在11月17日的《自然·通讯》杂志上。


对遮挡或散射介质后面的物体进行成像,这种相对较新的研究领域被称为「非视线成像」(non-line-of-sight,NLoS)。



与相关的非视线成像技术相比,西北大学的方法能够以亚毫米精度快速捕获大面积的全场图像。


在这种分辨率下,计算相机可以透过皮肤成像,甚至可以看到最微小的毛细血管在工作。


这种方法目前在非侵入性医学成像、汽车预警导航系统以及在密闭空间的工业检测方面已经具有明显的潜力,但研究人员认为其潜在的应用价值是无穷无尽的。


「我们的技术将迎来一波新的成像能力」,该研究的第一作者、麦考密克工程学院的Florian Willomitzer说。


「我们目前的传感器原型使用可见光或红外光,但原理是通用的,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,我们目前只是触及了表面。」


Florian Willomitzer是麦考密克工程学院电气和计算机工程的研究助理教授。本篇文章的合著者包括计算机科学、电气和计算机工程副教授Oliver Cossairt和前博士生Fengqiang Li。

拦截散射光

看到一个角落和想象人体内的一个器官似乎是非常不同的挑战,但Florian Willomitzer说它们实际上是密切相关的。两者都涉及散射介质,其中,光击中物体散射时,物体的直接图像就不可见了。



「如果你曾经试图用手捂住手电筒,那么你就经历过这种现象,」Florian Willomitzer说。


「你看到你手的另一边有一个亮点,理论上,你的骨头应该有一个阴影,揭示了骨头的结构。但是,穿过骨骼的光线在组织内向各个方向散射,完全模糊了阴影图像。」


因此,研究人员的目标是截取散射光,以重建其传播时间的固有信息,从而揭示隐藏的物体,但这也带来了挑战。


「没有什么比光速更快,所以如果你想高精度地测量光的传播时间,那么你需要速度极快的探测器」,Willomitzer说,「而这种探测器非常昂贵」。

量身定做的光波

为了消除对快速探测器的需求,Florian Willomitzer和他的同事合并了来自两个激光器的光波,以产生一种合成光波,该光波可以专门针对不同散射场景下的全息成像进行定制。


「如果你能在全息图中捕捉到物体的整个光场,那么你就能完整地重建物体的三维形状」,Florian Willomitzer解释道,「我们在拐角处或通过散射体进行全息成像,不同的是,用合成波代替普通光波。」


上图为对拐角处目标成像和透过散射介质成像的技术架构。图片来源:Nature Communications

目前的传感器原型使用可见光或红外光,但背后原理是通用的,可以扩展到其他波长。同样的方法可以应用于空间探索,或水声成像的无线电波。这项研究成果未来可以用于许多领域,目前的研究只是一个开始。


近年来,已经有不少研究基于非视线成像(NLoS)原理,尝试恢复隐藏目标的图像。但是这些方法通常都有不同程度的问题。要么分辨率低,视角极小,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。


对角落目标成像的实验演示及其分辨率评估

这次西北大学的研究解决了这些问题,是第一种通过散射介质在拐角附近成像的方法,同时具备高空间分辨率、高时间分辨率、小探测区域和大角度视场等优势。


也就是说,相机能以高分辨率对狭窄空间中的微小特征和大型隐藏物体进行成像,移动目标也不在话下。

把墙「变成镜子」

因为光只能在直线路径上传播,所以必须有一个不透明的屏障(如墙、灌木或汽车)才能让新设备看到角落周围。


光线从传感器单元(可以安装在汽车顶部)发出,从障碍物上反射,然后照射到拐角处的物体上。然后,光线反射回屏障,最终返回传感器单元的检测器。



连续波(CW)可调谐激光器以两个稍微不同的波长λ1和λ2照射场景。


「这就像我们可以在每一个遥远的表面上种植一个虚拟计算相机,从表面的角度来看世界」,Florian Willomitzer说。


对于驾车穿过山口或蜿蜒穿过乡村森林的人来说,这种方法可以通过显示弯道附近看不见的其他汽车或鹿来防止事故。


「这种技术把墙变成了镜子。它变得更好,因为这项技术也可以在夜间和雾天工作」,Florian Willomitzer说。


成像结果

以这种方式,高分辨率技术也可以替代(或补充)用于医疗和工业成像的内窥镜。合成波长全息术可以利用光来观察肠道内的许多褶皱,而不是需要一个能够在狭窄空间转弯和扭曲的柔性摄像机,例如用于结肠镜检查。


类似地,合成波长全息术可以在工业设备运行时在设备内部成像——这是目前内窥镜无法实现的壮举。


「如果你有一台运转的涡轮机,想要检查里面的缺陷,你通常会使用内窥镜,」Florian Willomitzer说。「但有些缺陷只有在设备运行时才会显现出来。涡轮运转时,您不能使用内窥镜从前面看涡轮内部。我们的传感器可以观察运行中的涡轮机内部,以检测小于1毫米的结构。」


尽管这项技术目前只是一个原型,但Florian Willomitzer相信它最终会被用来帮助司机避免事故。他说:「在我们看到这种内置在汽车中或被批准用于医疗应用的成像器之前,还有很长的路要走。「也许10年甚至更久,但它会到来。」



参考资料:

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


-END-


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