西北大学的研究人员发明了一种新的高分辨率相机，可以看到看不见的东西——包括角落周围和通过散射介质，如皮肤、雾甚至可能是人类头骨。
这种称为合成波长全息术的新方法通过将相干光间接散射到隐藏物体上，然后再次散射并返回相机。从那里，一种算法重建散射光信号以揭示隐藏的物体。由于其高时间分辨率，该方法还具有对快速移动的物体进行成像的潜力，例如通过胸部跳动的心脏或在街角飞驰的汽车。
该研究将于 11 月 17 日发表在《自然通讯》杂志上。
遮挡或散射介质背后的成像对象的相对较新的研究领域称为非视距 (NLoS) 成像。与相关的 NLoS 成像技术相比，Northwestern 方法可以以亚毫米级精度快速捕获大面积的全视野图像。有了这种级别的分辨率，计算相机可能会通过皮肤进行成像，甚至可以看到工作中最微小的毛细血管。
虽然该方法在无创医学成像、汽车预警导航系统和密闭空间内的工业检测方面具有明显的潜力，但研究人员认为潜在的应用是无穷无尽的。
该研究的第一作者、西北大学的弗洛里安·威洛米策 (Florian Willomitzer) 说：“我们的技术将迎来新一波成像能力。” “我们目前的传感器原型使用可见光或红外光，但其原理是通用的，可以扩展到其他波长。例如，同样的方法可以应用于太空探索或水下声学成像的无线电波。它可以应用于许多领域，而我们只是触及了表面。”
Willomitzer 是西北麦考密克工程学院电气和计算机工程研究助理教授。西北大学的合著者包括计算机科学和电气与计算机工程副教授 Oliver Cossairt，前博士。李凤强同学。西北大学的研究人员与南卫理公会大学的所有研究人员 Prasanna Rangarajan、Muralidhar Balaji 和 Marc Christensen 密切合作。
拦截散射光
观察拐角处与对人体内部器官进行成像似乎是截然不同的挑战，但威洛米策说，它们实际上密切相关。两者都处理散射介质，其中光撞击物体并以无法再看到物体的直接图像的方式散射。
“如果你曾经试图用手电筒照射手电，那么你就会经历过这种现象，”威洛米策说。“你在你的手的另一侧看到一个亮点，但理论上应该有你的骨头投下的阴影，揭示了骨头的结构。相反，穿过骨头的光在组织内向四面八方散射，完全模糊了阴影图像。”
因此，目标是拦截散射光，以重建有关其传播时间的固有信息，以揭示隐藏对象。但这也带来了自己的挑战。
“没有什么比光速更快，所以如果你想高精度地测量光的传播时间，那么你需要极快的探测器，”威洛米策说。“这样的探测器可能非常昂贵。”
量身定做的波浪
为了消除对快速探测器的需求，Willomitzer 和他的同事合并了来自两个激光器的光波，以生成一种合成光波，该光波可以专门针对不同散射场景中的全息成像进行定制。
“如果你可以在全息图中捕捉物体的整个光场，那么你就可以完整地重建物体的 3D 形状，”威洛米策解释道。“我们在拐角处或通过散射体进行全息成像——使用合成波而不是普通光波。”
多年来，已经有许多 NLoS 成像尝试来恢复隐藏对象的图像。但是这些方法通常有一个或多个问题。它们要么分辨率低、视场角极小、需要耗时的光栅扫描，要么需要大的探测区域来测量散射光信号。
然而，新技术克服了这些问题，是第一种在拐角处和通过散射介质成像的方法，它结合了高空间分辨率、高时间分辨率、小探测区域和大角视场。这意味着相机可以以高分辨率对狭窄空间中的微小特征以及大面积隐藏物体进行成像——即使物体在移动时也是如此。
把“墙变成镜子”
由于光只能在直线路径上传播，因此必须存在不透明的障碍物（例如墙壁、灌木或汽车），以便新设备能够看到拐角处。光从传感器单元（可以安装在汽车顶部）发出，从障碍物反弹，然后击中拐角处的物体。然后光反射回屏障并最终返回传感器单元的检测器。
“这就像我们可以在每个远程表面上安装一个虚拟计算相机，从表面的角度看世界，”威洛米策说。
对于驾驶道路弯曲穿过山口或蜿蜒穿过乡村森林的人来说，这种方法可以通过在弯道附近露出其他汽车或鹿来防止事故。“这种技术将墙壁变成镜子，”威洛米策说。“它变得更好，因为该技术也可以在夜间和有雾的天气条件下工作。”
通过这种方式，高分辨率技术还可以替代（或补充）用于医疗和工业成像的内窥镜。合成波长全息术不需要一个能够转弯和穿过狭窄空间的灵活相机，例如，对于结肠镜检查，合成波长全息术可以使用光来观察肠道内的许多褶皱。
同样，合成波长全息术可以在工业设备仍在运行时对其内部进行成像——这是当前内窥镜不可能实现的壮举。
“如果您有一台正在运行的涡轮机并想要检查内部缺陷，您通常会使用内窥镜，”威洛米策说。“但有些缺陷只有在设备运动时才会出现。当涡轮机运行时，你不能使用内窥镜从正面观察涡轮机内部。我们的传感器可以观察正在运行的涡轮机内部，以检测小于一毫米的结构。 ”
尽管该技术目前只是一个原型，但 Willomitzer 相信它最终将用于帮助驾驶员避免事故。“在我们看到这些内置于汽车中或被批准用于医疗应用的成像器之前，还有很长的路要走，”他说。“也许 10 年或更长时间，但它会来的。”