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La nouvelle caméra 3D voit l’invisible en haute définition

Préparation d’un prototype de caméra en laboratoire. Crédit : Florian Willowmitser/Université Northwestern

Des chercheurs de la Northwestern University ont créé une nouvelle caméra haute résolution qui peut voir ce qui est invisible, y compris dans les coins et à travers des supports dispersés, tels que la peau, le brouillard et peut-être même le crâne humain.


La nouvelle méthode, appelée holographie synthétique à longueur d’onde, fonctionne par diffusion indirecte lumière cohérente Sur les objets cachés, qui se dispersent à nouveau et retournent à la caméra. A partir de là, l’algorithme reconstruit un fichier lumière diffusée Signal pour révéler les objets cachés. En raison de sa grande précision temporelle, la méthode a également le potentiel de photographier des objets se déplaçant rapidement, tels qu’un cœur battant à travers une boîte ou des voitures accélérant au coin d’une rue.

L’étude sera publiée le 17 novembre dans la revue Communications naturelles.

Un domaine de recherche relativement nouveau pour l’imagerie d’objets derrière des occlusions ou des médias dispersés est appelé imagerie sans visibilité directe (NLoS). Par rapport aux techniques d’imagerie NLoS associées, la méthode Northwestern peut capturer rapidement des images plein champ de vastes zones avec une résolution inférieure au millimètre. Avec ce niveau de résolution, une caméra d’ordinateur peut imager à travers la peau pour voir même les plus petits capillaires en action.

Bien que cette méthode ait un potentiel évident pour l’imagerie médicale non invasive, les systèmes de navigation d’alerte précoce des véhicules et les inspections industrielles dans des espaces étroitement confinés, les chercheurs pensent que les applications potentielles sont infinies.

« Notre technologie inaugurera une nouvelle vague de capacités d’imagerie », a déclaré Florian Willemitser de Northwestern, premier auteur de l’étude. Nos modèles de capteurs actuels utilisent des capteurs visuels ou lumière infrarouge, mais le principe est universel et peut s’étendre à d’autres longueurs d’onde. Par exemple, la même méthode peut être appliquée aux ondes radio pour l’exploration spatiale ou l’acoustique sous-marine. Il peut être appliqué à de nombreux domaines, et nous n’avons fait qu’effleurer la surface. »

Willowmitser est professeur adjoint de recherche en génie électrique et informatique à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University. Les co-auteurs de la Northwestern University incluent Oliver Kossert, professeur agrégé d’informatique et de génie électrique et informatique, et ancien Ph. L’étudiant Fengqiang Li. Les chercheurs de la Northwestern University ont collaboré étroitement avec Prasana Rangarajan, Muralidar Balaji et Mark Christensen, tous chercheurs de la Southern Methodist University.

interception de la lumière diffusée

Voir au coin de la rue par rapport à photographier un organe à l’intérieur du corps humain peut sembler être des défis très différents, mais Willowmitser a déclaré qu’ils sont en fait étroitement liés. Les deux traitent de la diffusion des médias, où une lumière Il frappe Thème Il se propage de telle manière qu’une image directe de l’objet ne peut plus être vue.

« Si jamais vous essayez de braquer une lampe de poche sur votre main, cela signifie que vous avez vécu ce phénomène », a déclaré Willowmitser. « Vous voyez un point lumineux de l’autre côté de votre main, mais en théorie, il devrait y avoir une ombre projetant votre os, révélant la structure osseuse. Au lieu de cela, la lumière traversant l’os dans le tissu se disperse dans toutes les directions, complètement floue l’ombre. »

Le but est alors d’intercepter la lumière diffusée afin de reconstruire les informations inhérentes sur le moment où elle a voyagé pour révéler l’objet caché. Mais cela présente son propre défi.

« Rien n’est plus rapide que la vitesse de la lumière, donc si vous voulez mesurer le temps de trajet de la lumière avec une grande précision, vous avez besoin de détecteurs très rapides », a déclaré Willomitser. « Ces réactifs peuvent être très coûteux. »

Vagues conçues

Pour éliminer le besoin de détecteurs rapides, Willomitser et ses collègues ont combiné les ondes lumineuses de deux lasers pour générer une onde lumineuse artificielle qui peut être spécifiquement personnalisée pour l’imagerie holographique dans différents scénarios de diffusion.

« Si vous pouvez capturer l’intégralité du champ lumineux d’un objet dans une image 3D, vous pouvez reconstruire toute la forme 3D de l’objet », a expliqué Willomitser. « Nous faisons cette holographie au coin de la rue ou à travers des diffuseurs – en utilisant des ondes synthétiques au lieu d’ondes lumineuses régulières. »

Au fil des ans, il y a eu de nombreuses tentatives pour récupérer l’imagerie NLoS Des photos de choses cachées. Mais ces méthodes contiennent généralement un ou plusieurs problèmes. Ils ont une faible résolution, un champ angulaire extrêmement petit, nécessitent un balayage long ou nécessitent de grandes zones de balayage pour mesurer le signal lumineux diffusé.

Cependant, la nouvelle technologie surmonte ces problèmes et constitue la première méthode d’imagerie autour des angles et via des modes de dispersion qui combinent une résolution spatiale élevée, une résolution temporelle élevée, une petite zone de sonde et un grand champ de vision angulaire. Cela signifie que la caméra peut capturer de petites caractéristiques dans des espaces restreints ainsi que des objets cachés dans de grandes zones avec une haute résolution – même lorsque les objets se déplacent.

Transformez les murs en miroirs

Étant donné que la lumière ne circule que sur des chemins rectilignes, une barrière opaque (comme un mur, un buisson ou une voiture) doit être en place pour que le nouvel appareil puisse voir dans les coins. La lumière est émise par l’unité de capteur (qui peut être montée sur le dessus du véhicule), rebondit sur l’aile, puis frappe l’objet dans le coin. La lumière rebondit ensuite vers le diaphragme et éventuellement vers le détecteur de l’unité de capteur.

« C’est comme si nous pouvions implanter une caméra informatique virtuelle sur chaque surface distante pour voir le monde du point de vue de la surface », a déclaré Willomitser.

Pour les personnes conduisant des routes qui serpentent à travers un col de montagne ou se faufilent dans une forêt rurale, cette méthode peut prévenir les accidents en détectant d’autres voitures ou des cerfs hors de vue dans le virage. « Cette technologie transforme les murs en miroirs », a déclaré Willowmitser. « Cela s’améliore car la technologie peut également fonctionner la nuit et dans des conditions de brouillard. »

Ainsi, la technologie haute résolution peut également remplacer (ou compléter) les endoscopes pour l’imagerie médicale et industrielle. Plutôt que d’avoir besoin d’une caméra flexible, capable de se transformer en angles et de se tordre dans des espaces étroits – pour une coloscopie, par exemple – les hologrammes à longueur d’onde artificielle peuvent utiliser la lumière pour voir les nombreux plis dans l’intestin.

De même, l’imagerie holographique à longueur d’onde synthétique peut imager l’intérieur d’un équipement industriel alors qu’il est encore en fonctionnement, un exploit impossible pour les endoscopes d’aujourd’hui.

« Si vous avez une turbine en marche et que vous souhaitez vérifier les défauts à l’intérieur, vous utilisez généralement un endoscope », a déclaré Willomitser. « Mais certains défauts n’apparaissent que lorsque l’appareil est en mouvement. Vous ne pouvez pas utiliser l’endoscope et regarder à l’intérieur de la turbine par l’avant pendant qu’elle fonctionne. Notre capteur peut regarder à l’intérieur d’une turbine en marche pour détecter des structures de moins d’un millimètre. . « 

Bien que la technologie soit actuellement un prototype, Willumitzer pense qu’elle sera éventuellement utilisée pour aider les conducteurs à éviter les accidents. « Il reste encore un long chemin à parcourir avant de voir ces types d’appareils d’imagerie fabriqués dans des voitures ou approuvés pour des applications médicales », a-t-il déclaré. « Peut-être dix ans ou plus, mais ça viendra. »


Imagerie en dehors de la ligne de visée avec une précision de la picoseconde


Plus d’information:
Imagerie rapide sans visibilité directe avec une haute résolution et un large champ de vision utilisant l’holographie de longueur d’onde synthétique, Communication Nature (2021). DOI : 10.1038 / s41467-021-26776-w

la citation: Une nouvelle caméra 3D voit l’invisible en haute résolution (2021, 17 novembre) Extrait le 17 novembre 2021 de https://phys.org/news/2021-11-holographic-camera-unseen-high-precision.html

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