Nieuwe holografische camera kijkt om hoekjes en ziet het ongeziene met grote precisie

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.

De nieuwe methode, die synthetische golflengteholografie wordt genoemd, werkt door indirect coherent licht te verstrooien op verborgen objecten, die dit vervolgens opnieuw verstrooien en terugsturen naar een camera. Van daaruit reconstrueert een algoritme het verstrooide lichtsignaal om de verborgen objecten te onthullen.

Door de hoge temporele resolutie heeft de methode de potentie om snel bewegende objecten in beeld te brengen, zoals het kloppende hart door de borstkas of snel rijdende auto’s om een ​​straathoek.

Het relatief nieuwe onderzoeksgebied van het afbeelden van objecten achter occlusies of verstrooiende media wordt non-line-of-sight (NLoS) beeldvorming genoemd. Vergeleken met verwante NLoS-beeldvormingstechnologieën, kan de Northwestern-methode snel volledige beelden van grote gebieden vastleggen met grote precisie (kleiner dan een millimeter). Met dit resolutieniveau kan de computercamera in potentie door de huid heen kijken om de kleinste haarvaten aan het werk te zien.

Hoewel de methode duidelijk potentieel heeft voor niet-invasieve medische beeldvorming, vroegtijdige waarschuwingsnavigatiesystemen voor auto’s en industriële inspectie in krappe ruimtes, geloven de onderzoekers dat er nog veel meer toepassingen zijn. "Onze technologie zal een nieuwe golf van beeldvormingsmogelijkheden inluiden", zegt eerste auteur Florian Willomitzer. "Onze huidige sensorprototypes gebruiken zichtbaar of infrarood licht, maar het principe is universeel en kan worden uitgebreid naar andere golflengten. Dezelfde methode zou bijvoorbeeld kunnen worden toegepast op radiogolven voor verkenning van de ruimte of akoestische beeldvorming onder water. Het kan op veel gebieden worden toegepast; we hebben nu nog maar een beginnetje gemaakt."

Verstrooid licht onderscheppen

Om een ​​hoek kijken lijkt misschien een heel andere uitdaging dan een orgaan in het menselijk lichaam afbeelden, maar volgens Willomitzer zijn ze nauw verwant. Beide hebben te maken met verstrooiende media, waarbij licht een object raakt en zo verstrooit dat een direct beeld van het object niet meer te zien is.

"Als je ooit hebt geprobeerd een zaklamp door je hand te laten schijnen, dan heb je dit fenomeen meegemaakt. Je ziet een lichtpuntje aan de andere kant van je hand, maar in theorie zou er een schaduw moeten zijn die door je botten wordt geworpen, waardoor de structuur van de botten wordt onthuld. In plaats daarvan wordt het licht dat door de botten gaat in alle richtingen in het weefsel verstrooid, waardoor het schaduwbeeld volledig vervaagt."

Niets is echter sneller dan de snelheid van het licht, dus als je de reistijd van het licht met hoge precisie wilt meten, dan heb je extreem snelle detectoren nodig. En zulke detectoren kunnen verschrikkelijk duur zijn.

Op maat gemaakte golven

Om de behoefte aan snelle detectoren te elimineren, hebben Willomitzer en zijn collega’s lichtgolven van twee lasers samengevoegd om een ​​synthetische lichtgolf te genereren die specifiek kan worden afgestemd op holografische beeldvorming in verschillende verstrooiingsscenario’s.

"Als je het hele lichtveld van een object in een hologram kunt vangen, dan kun je de driedimensionale vorm van het object in zijn geheel reconstrueren.

In de loop der jaren zijn er veel NLoS-beeldvormingspogingen geweest om afbeeldingen van verborgen objecten te herstellen. Maar deze methoden hebben meestal een of meer problemen. Ze hebben ofwel een lage resolutie, een extreem klein gezichtsveld, vereisen een tijdrovende rasterscan of hebben grote meetgebieden nodig om het verstrooide lichtsignaal te meten.

Ongekende kwaliteit

De nieuwe technologie lost deze problemen op. Het is de eerste methode voor beeldvorming rond hoeken en via verstrooiende media die een hoge ruimtelijke resolutie, een hoge temporele resolutie, een klein sondeergebied en een groot hoekig gezichtsveld combineert. Dit betekent dat de camera zowel kleine objecten in krappe ruimtes als verborgen objecten in grote gebieden met een hoge resolutie kan vastleggen, zelfs wanneer de objecten bewegen.

Muren in spiegels veranderen

Voor mensen die over wegen rijden die door een bergpas kronkelen of door een bos op het platteland slingeren, kan deze methode ongelukken voorkomen door andere auto’s of herten net uit het zicht in de bocht te onthullen. "Deze techniek verandert muren in spiegels", zei Willomitzer. "Het wordt beter omdat de techniek ook ‘s nachts en in mistige weersomstandigheden kan werken."

Op deze manier zou de hoge resolutie technologie ook endoscopen voor medische en industriële beeldvorming kunnen vervangen (of aanvullen). In plaats van een flexibele camera nodig te hebben, die in staat is om hoeken te draaien en door nauwe ruimtes te draaien – voor een colonoscopie bijvoorbeeld – zou synthetische golflengteholografie licht kunnen gebruiken om rond de vele plooien in de darmen te kijken.

In draaiende machines kijken

Evenzo kan holografie met synthetische golflengten beelden maken in industriële apparatuur terwijl deze nog draait – een prestatie die onmogelijk is voor de huidige endoscopen. "Als je een draaiende turbine hebt en defecten aan de binnenkant wilt inspecteren, zou je meestal een endoscoop gebruiken", zei Willomitzer. "Maar sommige defecten komen pas naar voren als het apparaat in beweging is. U kunt een endoscoop niet gebruiken en van voren in de turbine kijken terwijl deze draait. Onze sensor kan in een draaiende turbine kijken om structuren te detecteren die kleiner zijn dan een millimeter."