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

這種稱為合成波長全息術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。從那里，一種算法重建散射光信號以揭示隱藏的物體。由于其高時間分辨率，該方法還具有對快速移動的物體進行成像的潛力，例如通過胸部跳動的心臟或在街角飛馳的汽車。

該研究將于 11 月 17 日發表在《自然通訊》雜志上。

遮擋或散射介質背后的成像對象的相對較新的研究領域稱為非視距 (NLoS) 成像。與相關的 NLoS 成像技術相比，Northwestern 方法可以以亞毫米級精度快速捕獲大面積的全視野圖像。有了這種級別的分辨率，計算相機可能會通過皮膚進行成像，甚至可以看到工作中最微小的毛細血管。

雖然該方法在無創醫學成像、汽車預警導航系統和密閉空間內的工業檢測方面具有明顯的潛力，但研究人員認為潛在的應用是無窮無盡的。

該研究的第一作者、西北大學的弗洛里安·威洛米策 (Florian Willomitzer) 說：“我們的技術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，可以擴展到其他波長。例如，同樣的方法可以應用于太空探索或水下聲學成像的無線電波。它可以應用于許多領域，而我們只是觸及了表面。”

Willomitzer 是西北麥考密克工程學院電氣和計算機工程研究助理教授。西北大學的合著者包括計算機科學和電氣與計算機工程副教授 Oliver Cossairt，前博士。李鳳強同學。西北大學的研究人員與南衛理公會大學的所有研究人員 Prasanna Rangarajan、Muralidhar Balaji 和 Marc Christensen 密切合作。

攔截散射光

觀察拐角處與對人體內部器官進行成像似乎是截然不同的挑戰，但威洛米策說，它們實際上密切相關。兩者都處理散射介質，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。

“如果你曾經試圖用手電筒照射手電，那么你就會經歷過這種現象，”威洛米策說。“你在你的手的另一側看到一個亮點，但理論上應該有你的骨頭投下的陰影，揭示了骨頭的結構。相反，穿過骨頭的光在組織內向四面八方散射，完全模糊了陰影圖像。”

因此，目標是攔截散射光，以重建有關其傳播時間的固有信息，以揭示隱藏對象。但這也帶來了自己的挑戰。

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

量身定做的波浪

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

“如果你可以在全息圖中捕捉物體的整個光場，那么你就可以完整地重建物體的 3D 形狀，”威洛米策解釋道。“我們在拐角處或通過散射體進行全息成像——使用合成波而不是普通光波。”

多年來，已經有許多 NLoS 成像嘗試來恢復隱藏對象的圖像。但是這些方法通常有一個或多個問題。它們要么分辨率低、視場角極小、需要耗時的光柵掃描，要么需要大的探測區域來測量散射光信號。

然而，新技術克服了這些問題，是第一種在拐角處和通過散射介質成像的方法，它結合了高空間分辨率、高時間分辨率、小探測區域和大角視場。這意味著相機可以以高分辨率對狹窄空間中的微小特征以及大面積隱藏物體進行成像——即使物體在移動時也是如此。

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器。

“這就像我們可以在每個遠程表面上安裝一個虛擬計算相機，從表面的角度看世界，”威洛米策說。

對于駕駛道路彎曲穿過山口或蜿蜒穿過鄉村森林的人來說，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。“這種技術將墻壁變成鏡子，”威洛米策說。“它變得更好，因為該技術也可以在夜間和有霧的天氣條件下工作。”

通過這種方式，高分辨率技術還可以替代（或補充）用于醫療和工業成像的內窺鏡。合成波長全息術不需要一個能夠轉彎和穿過狹窄空間的靈活相機，例如，對于結腸鏡檢查，合成波長全息術可以使用光來觀察腸道內的許多褶皺。

同樣，合成波長全息術可以在工業設備仍在運行時對其內部進行成像——這是當前內窺鏡不可能實現的壯舉。

“如果您有一臺正在運行的渦輪機并想要檢查內部缺陷，您通常會使用內窺鏡，”威洛米策說。“但有些缺陷只有在設備運動時才會出現。當渦輪機運行時，你不能使用內窺鏡從正面觀察渦輪機內部。我們的傳感器可以觀察正在運行的渦輪機內部，以檢測小于一毫米的結構。 ”

盡管該技術目前只是一個原型，但 Willomitzer 相信它最終將用于幫助駕駛員避免事故。“在我們看到這些內置于汽車中或被批準用于醫療應用的成像器之前，還有很長的路要走，”他說。“也許 10 年或更長時間，但它會來的。”