美國西北大學(墻變鏡子)

編輯：小咸魚 David

【新智元導讀】西北大學的研究人員發(fā)明了一種新的高分辨率透視相機，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（synthetic wavelength holography）。

怎么樣才能擁有一雙「透視眼」呢？

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

據(jù)此，西北大學的研究人員發(fā)明了一種新的高分辨率相機，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（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。

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警導航系統(tǒng)或非侵入性醫(yī)療成像。

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

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)后面的物體進行成像，這種相對較新的研究領域被稱為「非視線成像」（non-line-of-sight，NLoS）。

與相關的非視線成像技術相比，西北大學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，計算相機可以透過皮膚成像，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(yī)學成像、汽車預警導航系統(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，但研究人員認為其潛在的應用價值是無窮無盡的。

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

Florian Willomitzer

「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，可以擴展到其他波長。例如，同樣的方法可以應用于空間探索或水聲成像的無線電波。它可以應用于許多領域，我們目前只是觸及了表面?！?/p>

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

Oliver Cossairt

Fengqiang Li

攔截散射光

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，你的骨頭應該有一個陰影，揭示了骨頭的結構。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。」

因此，研究人員的目標是截取散射光，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行全息成像，不同的是，用合成波代替普通光波?！?/p>

上圖為對拐角處目標成像和透過散射介質(zhì)成像的技術架構。圖片來源：Nature Communications

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，可以擴展到其他波長。同樣的方法可以應用于空間探索，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，嘗試恢復隱藏目標的圖像。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。

對角落目標成像的實驗演示及其分辨率評估

這次西北大學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行成像，移動目標也不在話下。

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。

連續(xù)波(CW)可調(diào)諧激光器以兩個稍微不同的波長λ1和λ2照射場景。

「這就像我們可以在每一個遙遠的表面上種植一個虛擬計算相機，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。

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

成像結果

以這種方式，高分辨率技術也可以替代（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，例如用于結腸鏡檢查。

類似地，合成波長全息術可以在工業(yè)設備運行時在設備內(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，想要檢查里面的缺陷，你通常會使用內(nèi)窺鏡，」Florian Willomitzer說。「但有些缺陷只有在設備運行時才會顯現(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內(nèi)部，以檢測小于1毫米的結構。」

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

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