Nova holografska kamera vidi iza uglova, kroz maglu i ljudsko tkivo

Takozvana holografija sintetičke valne duljine (synthetic wavelength holography) djeluje tako da neizravno raspršuje koherentnu svjetlost na skrivene objekte, koja se zatim ponovno raspršuje i putuje natrag do kamere. Algoritam potom rekonstruira raspršeni svjetlosni signal kako bi otkrio skrivene objekte. Zbog svoje visoke vremenske razlučivosti, metoda opisana u časopisu Nature Communications ima potencijal snimanja objekata koji se brzo kreću, poput srca koje kuca u prsima ili automobila koji juri iza ugla.

Beskrajni potencijali 

Riječ je o relativno novom području istraživanja slučajeva bez optičke vidljivosti (Non-Line of Sight – NLoS). U usporedbi sa srodnim tehnologijama NLoS snimanja, nova metoda razvijena na Sveučilištu Northwestern može submilimetarskom preciznošću brzo snimiti slike cijelog polja velikih područja. S ovom razinom razlučivosti, računalna kamera mogla bi potencijalno slikati kroz kožu kako bi vidjela čak i najsitnije kapilare.

Ilustracija prikazuje potencijalne primjene nove tehnologije
Ilustracija prikazuje potencijalne primjene nove tehnologije

Iako metoda ima očiti potencijal za neinvazivno medicinsko snimanje, navigacijske sustave ranog upozorenja za automobile i industrijske inspekcije u usko zatvorenim prostorima, istraživači vjeruju da su potencijalne primjene beskrajne.


“Trenutni prototipovi senzora koriste vidljivo ili infracrveno svjetlo, ali princip je univerzalan i mogao bi se proširiti na druge valne duljine. Ista metoda mogla bi se primijeniti na radio valove za istraživanje svemira ili podvodno akustičko snimanje”, najavljuje prvi autor studije Florian Willomitzer. “Može se primijeniti na mnoga područja, a mi smo samo zagrebali površinu.”

Shema prikazuje spojene svjetlosne valove iz dva lasera, koji generiraju sintetički svjetlosni val, posebno prilagođen holografskim slikama u različitim scenarijima raspršenja (Florian Willomitzer/Northwestern University)
Shema prikazuje spojene svjetlosne valove iz dva lasera, koji generiraju sintetički svjetlosni val, posebno prilagođen holografskim slikama u različitim scenarijima raspršenja (Florian Willomitzer/Northwestern University)

Presretanje raspršene svjetlosti

Gledanje iza ugla i snimanje organa unutar ljudskog tijela zapravo su usko povezani. Obje se tehnike bave raspršujućim medijima, u kojima svjetlost udara u objekt i raspršuje se tako da se više ne može vidjeti izravna slika objekta. Riječ je o fenomenu koji se može opisati primjerom prolaska svjetlosti baterije kroz ruku. 

“Vidite svijetlu točku s druge strane svoje ruke, ali, teoretski, vaše kosti trebaju biti sjene, otkrivajući strukturu kostiju. Umjesto toga, svjetlost koja prolazi kroz kosti raspršuje se unutar tkiva u svim smjerovima, potpuno zamagljujući sliku sjene”, objašnjava Willomitzer. 

Laboratorijski prototip (Florian Willomitzer/Northwestern University)
Laboratorijski prototip (Florian Willomitzer/Northwestern University)

Cilj je, dakle, presresti raspršenu svjetlost kako bi se rekonstruirale inherentne informacije o vremenu putovanja i otkrio skriveni objekt. Ali to predstavlja vlastiti izazov. Ako želite izmjeriti vrijeme putovanja svjetlosti s velikom preciznošću, trebaju vam iznimno brzi detektori, a oni su užasno skupi.

Prilagođeni valovi

Kako bi eliminirali potrebu za brzim detektorima, istraživači su spojili svjetlosne valove iz dva lasera. Tako su generirali sintetički svjetlosni val koji se može posebno prilagoditi holografskim slikama u različitim scenarijima raspršenja.

Nova metoda može snimati vrlo male objekte iza ugla ili kroz raspršujući medij. Fotografija snimljenih objekata (slova) pričvršćenih na crne nosače (Florian Willomitzer/Northwestern University)
Nova metoda može snimati vrlo male objekte iza ugla ili kroz raspršujući medij. Fotografija snimljenih objekata (slova) pričvršćenih na crne nosače (Florian Willomitzer/Northwestern University)

“Ako možete uhvatiti cijelo svjetlosno polje objekta u hologramu, tada možete rekonstruirati trodimenzionalni oblik objekta u cijelosti”, objašnjava Willomitzer. “Ovu holografsku sliku radimo iza ugla ili kroz raspršivače – sa sintetičkim umjesto normalnih svjetlosnih valova.”

Tijekom godina bilo je mnogo NLoS pokušaja snimanja slika za oporavak slika skrivenih objekata. Ali ove metode obično imaju jedan ili više problema. Imaju ili nisku razlučivost, iznimno malo kutno polje promatranja, zahtijevaju dugotrajno skeniranje rastera ili su potrebna velika područja sondiranja za mjerenje raspršenog svjetlosnog signala.

Shema prikazuje tehnološke postavke za gledanje iza uglova i kroz raspršene medije
Shema prikazuje tehnološke postavke za gledanje iza uglova i kroz raspršene medije

Nova tehnologija nadilazi ove probleme jer kombinira visoku prostornu razlučivost, visoku vremensku razlučivost, malo područje sondiranja i veliko kutno vidno polje. To znači da kamera može s visokom razlučivosti snimiti sitne objekte u skučenim prostorima, ali i skrivene objekte u velikim područjima, čak i kada se oni kreću.


Pretvaranje zidova u ogledala

Budući da svjetlost putuje samo ravnim stazama, mora postojati neprozirna barijera poput zida, grma ili automobila kako bi novi uređaj mogao vidjeti iza uglova. Svjetlo se emitira iz senzorske jedinice koja se može postaviti na vrh automobila, odbija se od prepreke, a zatim udara u predmet iza ugla. Svjetlo se zatim odbija natrag do barijere i na kraju natrag u detektor senzorske jedinice.

“Ova tehnologija zidove pretvara u ogledala”, rekao je Willomitzer. Uz to, funkcionira i noću i u maglovitim vremenskim uvjetima.

Vizualni sažetak tehnologije, s postavkama potrebnim za slikanje oko uglova i kroz raspršene medije (Nature Communications)
Vizualni sažetak tehnologije, s postavkama potrebnim za slikanje oko uglova i kroz raspršene medije (Nature Communications)

Tehnologija visoke razlučivosti mogla zamijeniti ili dopuniti endoskope za medicinsko i industrijsko snimanje. Umjesto potrebe za fleksibilnom kamerom, sposobnom zakretati u uglovima i uvijati se kroz tijesne prostore, kakve se na primer koriste u kolonoskopiji, holografija sintetičke valne duljine mogla bi koristiti svjetlo da vidi unutar crijeva. Isto vrijedi i za snimanje unutar industrijske opreme u pogonu, gdje senzor može otkriti strukture manje od milimetra.

Iako je trenutno riječ o prototipu, Willomitzer vjeruje da će se s vremenom ova tehnologija početi primjenjivati, u automobilima i medicini. Možda već za desetak godina.