西北大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新的高分辨率相機(jī)，可以看到看不見的東西——包括角落周圍和通過散射介質(zhì)，如皮膚、霧甚至可能是人類頭骨。

這種稱為合成波長(zhǎng)全息術(shù)的新方法通過將相干光間接散射到隱藏物體上，然后再次散射并返回相機(jī)。從那里，一種算法重建散射光信號(hào)以揭示隱藏的物體。由于其高時(shí)間分辨率，該方法還具有對(duì)快速移動(dòng)的物體進(jìn)行成像的潛力，例如通過胸部跳動(dòng)的心臟或在街角飛馳的汽車。

該研究將于 11 月 17 日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

遮擋或散射介質(zhì)背后的成像對(duì)象的相對(duì)較新的研究領(lǐng)域稱為非視距 (NLoS) 成像。與相關(guān)的 NLoS 成像技術(shù)相比，Northwestern 方法可以以亞毫米級(jí)精度快速捕獲大面積的全視野圖像。有了這種級(jí)別的分辨率，計(jì)算相機(jī)可能會(huì)通過皮膚進(jìn)行成像，甚至可以看到工作中最微小的毛細(xì)血管。

雖然該方法在無創(chuàng)醫(yī)學(xué)成像、汽車預(yù)警導(dǎo)航系統(tǒng)和密閉空間內(nèi)的工業(yè)檢測(cè)方面具有明顯的潛力，但研究人員認(rèn)為潛在的應(yīng)用是無窮無盡的。

該研究的第一作者、西北大學(xué)的弗洛里安·威洛米策 (Florian Willomitzer) 說：“我們的技術(shù)將迎來新一波成像能力。” “我們目前的傳感器原型使用可見光或紅外光，但其原理是通用的，可以擴(kuò)展到其他波長(zhǎng)。例如，同樣的方法可以應(yīng)用于太空探索或水下聲學(xué)成像的無線電波。它可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，而我們只是觸及了表面。”

Willomitzer 是西北麥考密克工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程研究助理教授。西北大學(xué)的合著者包括計(jì)算機(jī)科學(xué)和電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授 Oliver Cossairt，前博士。李鳳強(qiáng)同學(xué)。西北大學(xué)的研究人員與南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)的所有研究人員 Prasanna Rangarajan、Muralidhar Balaji 和 Marc Christensen 密切合作。

攔截散射光

觀察拐角處與對(duì)人體內(nèi)部器官進(jìn)行成像似乎是截然不同的挑戰(zhàn)，但威洛米策說，它們實(shí)際上密切相關(guān)。兩者都處理散射介質(zhì)，其中光撞擊物體并以無法再看到物體的直接圖像的方式散射。

“如果你曾經(jīng)試圖用手電筒照射手電，那么你就會(huì)經(jīng)歷過這種現(xiàn)象，”威洛米策說。“你在你的手的另一側(cè)看到一個(gè)亮點(diǎn)，但理論上應(yīng)該有你的骨頭投下的陰影，揭示了骨頭的結(jié)構(gòu)。相反，穿過骨頭的光在組織內(nèi)向四面八方散射，完全模糊了陰影圖像。”

因此，目標(biāo)是攔截散射光，以重建有關(guān)其傳播時(shí)間的固有信息，以揭示隱藏對(duì)象。但這也帶來了自己的挑戰(zhàn)。

“沒有什么比光速更快，所以如果你想高精度地測(cè)量光的傳播時(shí)間，那么你需要極快的探測(cè)器，”威洛米策說。“這樣的探測(cè)器可能非常昂貴。”

量身定做的波浪

為了消除對(duì)快速探測(cè)器的需求，Willomitzer 和他的同事合并了來自兩個(gè)激光器的光波，以生成一種合成光波，該光波可以專門針對(duì)不同散射場(chǎng)景中的全息成像進(jìn)行定制。

“如果你可以在全息圖中捕捉物體的整個(gè)光場(chǎng)，那么你就可以完整地重建物體的 3D 形狀，”威洛米策解釋道。“我們?cè)诠战翘幓蛲ㄟ^散射體進(jìn)行全息成像——使用合成波而不是普通光波。”

多年來，已經(jīng)有許多 NLoS 成像嘗試來恢復(fù)隱藏對(duì)象的圖像。但是這些方法通常有一個(gè)或多個(gè)問題。它們要么分辨率低、視場(chǎng)角極小、需要耗時(shí)的光柵掃描，要么需要大的探測(cè)區(qū)域來測(cè)量散射光信號(hào)。

然而，新技術(shù)克服了這些問題，是第一種在拐角處和通過散射介質(zhì)成像的方法，它結(jié)合了高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、小探測(cè)區(qū)域和大角視場(chǎng)。這意味著相機(jī)可以以高分辨率對(duì)狹窄空間中的微小特征以及大面積隱藏物體進(jìn)行成像——即使物體在移動(dòng)時(shí)也是如此。

把“墻變成鏡子”

由于光只能在直線路徑上傳播，因此必須存在不透明的障礙物（例如墻壁、灌木或汽車），以便新設(shè)備能夠看到拐角處。光從傳感器單元（可以安裝在汽車頂部）發(fā)出，從障礙物反彈，然后擊中拐角處的物體。然后光反射回屏障并最終返回傳感器單元的檢測(cè)器。

“這就像我們可以在每個(gè)遠(yuǎn)程表面上安裝一個(gè)虛擬計(jì)算相機(jī)，從表面的角度看世界，”威洛米策說。

對(duì)于駕駛道路彎曲穿過山口或蜿蜒穿過鄉(xiāng)村森林的人來說，這種方法可以通過在彎道附近露出其他汽車或鹿來防止事故。“這種技術(shù)將墻壁變成鏡子，”威洛米策說。“它變得更好，因?yàn)樵摷夹g(shù)也可以在夜間和有霧的天氣條件下工作。”

通過這種方式，高分辨率技術(shù)還可以替代（或補(bǔ)充）用于醫(yī)療和工業(yè)成像的內(nèi)窺鏡。合成波長(zhǎng)全息術(shù)不需要一個(gè)能夠轉(zhuǎn)彎和穿過狹窄空間的靈活相機(jī)，例如，對(duì)于結(jié)腸鏡檢查，合成波長(zhǎng)全息術(shù)可以使用光來觀察腸道內(nèi)的許多褶皺。

同樣，合成波長(zhǎng)全息術(shù)可以在工業(yè)設(shè)備仍在運(yùn)行時(shí)對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行成像——這是當(dāng)前內(nèi)窺鏡不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉。

“如果您有一臺(tái)正在運(yùn)行的渦輪機(jī)并想要檢查內(nèi)部缺陷，您通常會(huì)使用內(nèi)窺鏡，”威洛米策說。“但有些缺陷只有在設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)渦輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，你不能使用內(nèi)窺鏡從正面觀察渦輪機(jī)內(nèi)部。我們的傳感器可以觀察正在運(yùn)行的渦輪機(jī)內(nèi)部，以檢測(cè)小于一毫米的結(jié)構(gòu)。 ”

盡管該技術(shù)目前只是一個(gè)原型，但 Willomitzer 相信它最終將用于幫助駕駛員避免事故。“在我們看到這些內(nèi)置于汽車中或被批準(zhǔn)用于醫(yī)療應(yīng)用的成像器之前，還有很長(zhǎng)的路要走，”他說。“也許 10 年或更長(zhǎng)時(shí)間，但它會(huì)來的。”