Los investigadores de la Universidad Northwestern han inventado una nueva cámara de alta resolución que puede ver lo invisible, incluso alrededor de las esquinas y a través de medios de dispersión, como la piel, la niebla o potencialmente incluso el cráneo humano.
Llamado holografía de longitud de onda sintética, el nuevo método funciona mediante la dispersión indirecta de luz coherente sobre objetos ocultos, que luego se dispersa nuevamente y viaja de regreso a una cámara. A partir de ahí, un algoritmo reconstruye la señal de luz dispersa para revelar los objetos ocultos. Debido a sualta resolución temporal, el método también tiene el potencial de obtener imágenes de objetos que se mueven rápidamente, como el corazón que late a través del pecho o los autos a toda velocidad en la esquina de una calle.
El estudio se publicará el 17 de noviembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
El campo de investigación relativamente nuevo de los objetos de imágenes detrás de oclusiones o medios de dispersión se denomina imágenes sin línea de visión NLoS. En comparación con las tecnologías de imágenes NLoS relacionadas, el método Northwestern puede capturar rápidamente imágenes de campo completo de grandes áreas conprecisión submilimétrica. Con este nivel de resolución, la cámara computacional podría potencialmente obtener imágenes a través de la piel para ver incluso los capilares más pequeños en funcionamiento.
Si bien el método tiene un potencial obvio para la obtención de imágenes médicas no invasivas, los sistemas de navegación de alerta temprana para automóviles y la inspección industrial en espacios reducidos, los investigadores creen que las aplicaciones potenciales son infinitas.
"Nuestra tecnología marcará el comienzo de una nueva ola de capacidades de imágenes", dijo Florian Willomitzer de Northwestern, primer autor del estudio. "Nuestros prototipos de sensores actuales utilizan luz visible o infrarroja, pero el principio es universal y podría extenderse a otras longitudes de onda. Por ejemplo, el mismo método podría aplicarse a las ondas de radio para la exploración espacial o la obtención de imágenes acústicas bajo el agua. Se puede aplicar a muchas áreas, y solo hemos arañado la superficie ".
Willomitzer es profesor asistente de investigación de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Los coautores de Northwestern incluyen a Oliver Cossairt, profesor asociado de ciencias de la computación e ingeniería eléctrica e informática, y el ex estudiante de doctorado Fengqiang Li.Los investigadores de Northwestern colaboraron estrechamente con Prasanna Rangarajan, Muralidhar Balaji y Marc Christensen, todos investigadores de la Universidad Metodista del Sur.
interceptación de luz dispersa
Ver a la vuelta de la esquina versus obtener imágenes de un órgano dentro del cuerpo humano pueden parecer desafíos muy diferentes, pero Willomitzer dijo que en realidad están estrechamente relacionados. Ambos tratan con medios de dispersión, en los que la luz golpea un objeto y se dispersa de una manera queya no se puede ver la imagen del objeto.
"Si alguna vez ha intentado hacer brillar una linterna a través de su mano, entonces ha experimentado este fenómeno", dijo Willomitzer. "Ve un punto brillante en el otro lado de su mano, pero, teóricamente, debería haber una sombraproyectada por sus huesos, revelando la estructura de los huesos. En cambio, la luz que pasa por los huesos se dispersa dentro del tejido en todas direcciones, borrando completamente la imagen de la sombra ".
El objetivo, entonces, es interceptar la luz dispersa para reconstruir la información inherente sobre su tiempo de viaje para revelar el objeto oculto. Pero eso presenta su propio desafío.
"Nada es más rápido que la velocidad de la luz, por lo que si desea medir el tiempo de viaje de la luz con alta precisión, entonces necesita detectores extremadamente rápidos", dijo Willomitzer. "Tales detectores pueden ser terriblemente costosos".
ondas a medida
Para eliminar la necesidad de detectores rápidos, Willomitzer y sus colegas fusionaron ondas de luz de dos láseres para generar una onda de luz sintética que se puede adaptar específicamente a imágenes holográficas en diferentes escenarios de dispersión.
"Si puede capturar todo el campo de luz de un objeto en un holograma, entonces puede reconstruir la forma tridimensional del objeto en su totalidad", explicó Willomitzer. "Hacemos esta imagen holográfica alrededor de una esquina o mediante dispersores -con ondas sintéticas en lugar de ondas de luz normales ".
A lo largo de los años, ha habido muchos intentos de obtención de imágenes NLoS para recuperar imágenes de objetos ocultos. Pero estos métodos suelen tener uno o más problemas. Tienen baja resolución, un campo de visión angular extremadamente pequeño, requieren una trama que consume mucho tiempoescanear o necesita grandes áreas de sondeo para medir la señal de luz dispersa.
La nueva tecnología, sin embargo, supera estos problemas y es el primer método para obtener imágenes alrededor de las esquinas y a través de medios de dispersión que combina alta resolución espacial, alta resolución temporal, un área de sondeo pequeña y un gran campo de visión angular. Esto significa que elLa cámara puede captar pequeñas características en espacios muy reducidos, así como objetos ocultos en grandes áreas con alta resolución, incluso cuando los objetos se mueven.
Convertir 'paredes en espejos'
Debido a que la luz solo viaja en caminos rectos, debe haber una barrera opaca como una pared, un arbusto o un automóvil para que el nuevo dispositivo vea alrededor de las esquinas. La luz se emite desde la unidad del sensor que podría montarseencima de un automóvil, rebota en la barrera, luego golpea el objeto en la esquina. La luz luego rebota hacia la barrera y finalmente regresa al detector de la unidad del sensor.
"Es como si pudiéramos colocar una cámara computacional virtual en cada superficie remota para ver el mundo desde la perspectiva de la superficie", dijo Willomitzer.
Para las personas que conducen por carreteras que atraviesan un paso de montaña o serpentean a través de un bosque rural, este método podría prevenir accidentes al revelar otros autos o ciervos fuera de la vista en la curva. "Esta técnica convierte las paredes en espejos", dijo Willomitzer.Mejora ya que la técnica también puede funcionar de noche y en condiciones de niebla ".
De esta manera, la tecnología de alta resolución también podría reemplazar o complementar los endoscopios para imágenes médicas e industriales. En lugar de necesitar una cámara flexible, capaz de doblar esquinas y girar en espacios reducidos, para una colonoscopia, por ejemplo,- la holografía de longitud de onda sintética podría usar la luz para ver alrededor de los muchos pliegues dentro de los intestinos.
De manera similar, la holografía de longitud de onda sintética podría obtener imágenes del interior de equipos industriales mientras aún está en funcionamiento, una hazaña que es imposible para los endoscopios actuales.
"Si tiene una turbina en funcionamiento y desea inspeccionar los defectos en el interior, normalmente usaría un endoscopio", dijo Willomitzer. "Pero algunos defectos solo aparecen cuando el dispositivo está en movimiento. No puede usar un endoscopio y mirar dentro delturbina desde el frente mientras está en funcionamiento. Nuestro sensor puede mirar dentro de una turbina en funcionamiento para detectar estructuras que son más pequeñas que un milímetro. "
Aunque la tecnología es actualmente un prototipo, Willomitzer cree que eventualmente se utilizará para ayudar a los conductores a evitar accidentes. "Todavía queda un largo camino por recorrer antes de que veamos este tipo de lectores de imágenes integrados en automóviles o aprobados para aplicaciones médicas", dijo.. "Quizás 10 años o incluso más, pero llegará".
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