Neue holografische Kamera sieht das Unsichtbare mit hoher Präzision

Forscher der Northwestern University haben eine neue hochauflösende Kamera erfunden, die das Unsichtbare sehen kann – auch um Ecken und durch Streumedien wie Haut, Nebel oder möglicherweise sogar den menschlichen Schädel.

Die neue Methode, die als synthetische Wellenlängen-Holographie bezeichnet wird, funktioniert durch indirektes Streuen von kohärentem Licht auf versteckte Objekte, das dann wieder gestreut wird und zurück zu einer Kamera wandert. Von dort aus rekonstruiert ein Algorithmus das Streulichtsignal, um die versteckten Objekte aufzudecken. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung hat das Verfahren auch das Potenzial, sich schnell bewegende Objekte abzubilden, wie das schlagende Herz durch die Brust oder rasende Autos um eine Straßenecke.

Die Studie wird am 17. November in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Das relativ neue Forschungsgebiet der Abbildung von Objekten hinter Okklusionen oder Streumedien wird als Non-Line-of-Sight (NLoS) Imaging bezeichnet. Im Vergleich zu verwandten NLoS-Bildgebungstechnologien kann die Northwestern-Methode schnell Vollfeldbilder großer Gebiete mit Submillimeter-Präzision aufnehmen. Mit dieser Auflösung könnte die Computerkamera möglicherweise durch die Haut hindurch abbilden, um sogar die kleinsten Kapillaren bei der Arbeit zu sehen.

Während die Methode offensichtliches Potenzial für nichtinvasive medizinische Bildgebung, Frühwarnnavigationssysteme für Automobile und industrielle Inspektion auf engstem Raum hat, glauben die Forscher, dass die möglichen Anwendungen endlos sind.

„Unsere Technologie wird eine neue Welle von Bildgebungsfunktionen einleiten“, sagte Florian Willomitzer von Northwestern, Erstautor der Studie. „Unsere aktuellen Sensorprototypen verwenden sichtbares oder infrarotes Licht, aber das Prinzip ist universell und könnte auf andere Wellenlängen ausgeweitet werden. Zum Beispiel könnte die gleiche Methode auf Radiowellen für die Weltraumforschung oder die akustische Unterwasserabbildung angewendet werden Bereiche, und wir haben nur an der Oberfläche gekratzt.”

Willomitzer ist wissenschaftlicher Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der McCormick School of Engineering in Northwestern. Zu den Co-Autoren des Nordwestens zählen Oliver Cossairt, außerordentlicher Professor für Informatik und Elektrotechnik und Computertechnik, und ehemaliger Ph.D. Schüler Fengqiang Li. Die Forscher aus dem Nordwesten arbeiteten eng mit Prasanna Rangarajan, Muralidhar Balaji und Marc Christensen zusammen, alle Forscher der Southern Methodist University.

Abfangen von Streulicht

Um eine Ecke zu sehen oder ein Organ im menschlichen Körper abzubilden, mag wie ganz andere Herausforderungen erscheinen, aber Willomitzer sagte, dass sie tatsächlich eng miteinander verbunden sind. Beide beschäftigen sich mit streuenden Medien, bei denen Licht auf ein Objekt trifft und so gestreut wird, dass kein direktes Bild des Objekts mehr zu sehen ist.

“Wenn Sie jemals versucht haben, eine Taschenlampe durch Ihre Hand zu leuchten, dann haben Sie dieses Phänomen erlebt”, sagte Willomitzer. “Sie sehen einen hellen Fleck auf der anderen Seite Ihrer Hand, aber theoretisch sollten Ihre Knochen einen Schatten werfen, der die Struktur der Knochen enthüllt. Stattdessen wird das Licht, das die Knochen passiert, im Gewebe in alle Richtungen gestreut.” , wodurch das Schattenbild vollständig verwischt wird.”

Das Ziel besteht also darin, das Streulicht abzufangen, um die inhärente Information über seine Reisezeit zu rekonstruieren, um das versteckte Objekt aufzudecken. Aber das stellt seine eigene Herausforderung dar.

„Nichts ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Wenn man also die Laufzeit des Lichts mit hoher Präzision messen will, braucht man extrem schnelle Detektoren“, sagt Willomitzer. “Solche Detektoren können furchtbar teuer sein.”

Maßgeschneiderte Wellen

Um schnelle Detektoren überflüssig zu machen, haben Willomitzer und seine Kollegen Lichtwellen von zwei Lasern zusammengeführt, um eine synthetische Lichtwelle zu erzeugen, die speziell auf die holographische Bildgebung in verschiedenen Streuszenarien zugeschnitten werden kann.

„Wenn man das gesamte Lichtfeld eines Objekts in einem Hologramm einfangen kann, kann man die dreidimensionale Form des Objekts vollständig rekonstruieren“, erklärt Willomitzer. „Wir machen diese holografische Bildgebung um eine Ecke oder durch Streuer – mit synthetischen Wellen anstelle von normalen Lichtwellen.“

Im Laufe der Jahre gab es viele NLoS-Imaging-Versuche, um Bilder von versteckten Objekten wiederherzustellen. Aber diese Methoden haben typischerweise ein oder mehrere Probleme. Sie haben entweder eine geringe Auflösung, einen extrem kleinen Blickwinkel, benötigen einen zeitaufwendigen Rasterscan oder benötigen große Antastflächen zur Messung des Streulichtsignals.

Die neue Technologie überwindet jedoch diese Probleme und ist die erste Methode zur Bildgebung um Ecken und durch streuende Medien, die hohe räumliche Auflösung, hohe zeitliche Auflösung, einen kleinen Messbereich und einen großen Blickwinkel kombiniert. Dadurch kann die Kamera winzige Merkmale auf engstem Raum ebenso wie versteckte Objekte in großen Bereichen mit hoher Auflösung abbilden – selbst wenn sich die Objekte bewegen.

„Wände in Spiegel“ verwandeln

Da sich Licht nur auf geraden Wegen ausbreitet, muss eine lichtundurchlässige Barriere (z. B. eine Mauer, ein Strauch oder ein Auto) vorhanden sein, damit das neue Gerät um Ecken sehen kann. Das Licht wird von der Sensoreinheit (die auf einem Auto montiert werden könnte) ausgesendet, prallt von der Barriere ab und trifft dann auf das Objekt um die Ecke. Das Licht prallt dann zurück zur Schranke und schließlich zurück in den Detektor der Sensoreinheit.

“Es ist, als könnten wir auf jeder entfernten Oberfläche eine virtuelle Computerkamera installieren, um die Welt aus der Perspektive der Oberfläche zu sehen”, sagte Willomitzer.

Für Personen, die Straßen durch einen Bergpass fahren oder sich durch einen ländlichen Wald schlängeln, könnte diese Methode Unfälle verhindern, indem andere Autos oder Rehe hinter der Kurve sichtbar werden. “Diese Technik verwandelt Wände in Spiegel”, sagte Willomitzer. “Es wird besser, da die Technik auch nachts und bei nebligen Wetterbedingungen funktionieren kann.”

Auf diese Weise könnte die hochauflösende Technologie auch Endoskope für die medizinische und industrielle Bildgebung ersetzen (oder ergänzen). Anstatt eine flexible Kamera zu benötigen, die in der Lage ist, Kurven zu drehen und sich durch enge Räume zu winden – zum Beispiel für eine Koloskopie – könnte die synthetische Wellenlängen-Holographie Licht verwenden, um die vielen Falten im Inneren des Darms zu sehen.

In ähnlicher Weise könnte die Holographie mit synthetischer Wellenlänge im Inneren industrieller Geräte abbilden, während sie noch läuft – eine Leistung, die für aktuelle Endoskope unmöglich ist.

“Wenn Sie eine laufende Turbine haben und Defekte im Inneren untersuchen möchten, verwenden Sie normalerweise ein Endoskop”, sagte Willomitzer. „Manche Defekte zeigen sich aber erst, wenn das Gerät in Bewegung ist. Man kann nicht mit einem Endoskop von vorne in die Turbine schauen, während sie läuft. Unser Sensor kann in eine laufende Turbine blicken, um Strukturen zu erkennen, die kleiner als ein Millimeter sind. “

Obwohl es sich bei der Technologie derzeit um einen Prototyp handelt, glaubt Willomitzer, dass sie irgendwann verwendet werden wird, um Autofahrern zu helfen, Unfälle zu vermeiden. „Es ist noch ein langer Weg, bis wir diese Art von Imagern in Autos eingebaut oder für medizinische Anwendungen zugelassen sehen“, sagte er. “Vielleicht 10 Jahre oder noch mehr, aber es wird kommen.”