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

【導讀】西北大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新的高分辨率****相機，可以透過(guò)散射介質(zhì)，如皮膚、霧等等看到之前看不見(jiàn)的東西，這種方法被稱(chēng)為合成波長(cháng)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，讓你秒變****眼！

 

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

 

 

這種被稱(chēng)為合成波長(cháng)全息術(shù)（synthetic wavelength holography）的新方法是通過(guò)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。

 

這時(shí)，利用一個(gè)算法重建散射光信號，就可以揭示隱藏的物體。

 

由于其高時(shí)間分辨率，該方法還具有對快速移動(dòng)的物體成像的潛力，例如通過(guò)胸腔跳動(dòng)的心臟或街角超速行駛的汽車(chē)，因此它可以用于汽車(chē)的預警導航系統或非侵入性醫療成像。

 

 

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(chēng)為「非視線(xiàn)成像」（non-line-of-sight，NLoS）。

 

 

與相關(guān)的非視線(xiàn)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(chǎng)圖像。

 

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

 

這種方法目前在非侵入性醫學(xué)成像、汽車(chē)預警導航系統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，但研究人員認為其潛在的應用價(jià)值是無(wú)窮無(wú)盡的。

 

「我們的技術(shù)將迎來(lái)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(shuō)。

 

「我們目前的傳感器原型使用可見(jiàn)光或紅外光，但原理是通用的，可以擴展到其他波長(cháng)。例如，同樣的方法可以應用于空間探索或水聲成像的無(wú)線(xiàn)電波。它可以應用于許多領(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)院電氣和計算機工程的研究助理教授。本篇文章的合著(zhù)者包括計算機科學(xué)、電氣和計算機工程副教授Oliver Cossairt和前博士生Fengqiang Li。

 

****散射光

 

看到一個(gè)角落和想象人體內的一個(gè)器官似乎是非常不同的挑戰，但Florian Willomitzer說(shuō)它們實(shí)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(shí)，物體的直接圖像就不可見(jiàn)了。

 

 

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

 

「你看到你手的另一邊有一個(gè)亮點(diǎn)，理論上，你的骨頭應該有一個(gè)陰影，揭示了骨頭的結構。但是，穿過(guò)骨骼的光線(xiàn)在組織內向各個(gè)方向散射，完全模糊了陰影圖像?！?/span>

 

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

 

「沒(méi)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(shí)間，那么你需要速度極快的探測器」，Willomitzer說(shuō)，「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，Florian Willomitzer和他的同事合并了來(lái)自?xún)蓚€(gè)激光器的光波，以產(chǎn)生一種合成光波，該光波可以專(zhuān)門(mén)針對不同散射場(chǎng)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(gè)光場(chǎng)，那么你就能完整地重建物體的三維形狀」，Florian Willomitzer解釋道，「我們在拐角處或通過(guò)散射體進(jìn)行全息成像，不同的是，用合成波代替普通光波?！?/span>

 

目前的傳感器原型使用可見(jiàn)光或紅外光，但背后原理是通用的，可以擴展到其他波長(cháng)。同樣的方法可以應用于空間探索，或水聲成像的無(wú)線(xiàn)電波。這項研究成果未來(lái)可以用于許多領(lǐng)域，目前的研究只是一個(gè)開(kāi)始。

 

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

 

 

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

 

也就是說(shuō)，相機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(dòng)目標也不在話(huà)下。

 

把墻「變成鏡子」

 

因為光只能在直線(xiàn)路徑上傳播，所以必須有一個(gè)不透明的屏障（如墻、灌木或汽車(chē)）才能讓新設備看到角落周?chē)?/span>

 

光線(xiàn)從傳感器單元（可以安裝在汽車(chē)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(xiàn)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(gè)遙遠的表面上種植一個(gè)虛擬計算相機，從表面的角度來(lái)看世界」，Florian Willomitzer說(shuō)。

 

對于駕車(chē)穿過(guò)山口或蜿蜒穿過(guò)鄉村森林的人來(lái)說(shuō)，這種方法可以通過(guò)顯示彎道附近看不見(jiàn)的其他汽車(chē)或鹿來(lái)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」，Florian Willomitzer說(shuō)。

 

 

以這種方式，高分辨率技術(shù)也可以替代（或補充）用于醫療和工業(yè)成像的內窺鏡。合成波長(cháng)全息術(shù)可以利用光來(lái)觀(guān)察腸道內的許多褶皺，而不是需要一個(gè)能夠在狹窄空間轉彎和扭曲的柔性攝像機，例如用于結腸鏡檢查。

 

類(lèi)似地，合成波長(cháng)全息術(shù)可以在工業(yè)設備運行時(shí)在設備內部成像——這是目前內窺鏡無(wú)法實(shí)現的壯舉。

 

「如果你有一臺運轉的渦輪機，想要檢查里面的缺陷，你通常會(huì )使用內窺鏡，」Florian Willomitzer說(shuō)?！傅行┤毕葜挥性谠O備運行時(shí)才會(huì )顯現出來(lái)。渦輪運轉時(shí)，您不能使用內窺鏡從前面看渦輪內部。我們的傳感器可以觀(guān)察運行中的渦輪機內部，以檢測小于1毫米的結構?！?/span>

 

盡管這項技術(shù)目前只是一個(gè)原型，但Florian Willomitzer相信它最終會(huì )被用來(lái)幫助司機避免事故。他說(shuō):「在我們看到這種內置在汽車(chē)中或被批準用于醫療應用的成像器之前，還有很長(cháng)的路要走?！敢苍S10年甚至更久，但它會(huì )到來(lái)?！?/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(lái)源：新智元

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