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TECNOLOGÍA. Cámara holográfica que ve lo "invisible": alrededor de esquinas, en la niebla y el tejido humano

 

Configuración de uno de los prototipos de cámara en el laboratorio. Fuente: Florian Willomitzer / Northwestern University

El dispositivo puede ver alrededor de las esquinas y a través de medios dispersos como la niebla y el tejido humano.

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 su alta 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 una esquina.

El estudio se ha publicado el 17 de noviembre de 2021 en la revista Nature Communications.

El campo de investigación relativamente nuevo de los objetos de imágenes detrás de las oclusiones o los medios de dispersión se llama 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 con precisión 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.

Los 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.

Interceptar luz dispersa

Ver a la vuelta de la esquina versus obtener imágenes de un órgano dentro del cuerpo humano puede parecer un desafío muy diferente, pero en realidad están estrechamente relacionados. Ambos tratan con medios de dispersión, en los que la luz incide en un objeto y se dispersa de manera que ya no se puede ver una imagen directa del objeto.

Si alguna vez ha intentado hacer brillar una linterna a través de su mano, entonces ha experimentado este fenómeno. Ves un punto brillante en el otro lado de tu mano, pero, teóricamente, debería haber una sombra proyectada por tus huesos, revelando la estructura de los huesos. En cambio, la luz que pasa por los huesos se dispersa dentro del tejido en todas las direcciones, borrando por completo 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 se necesitan detectores extremadamente rápidos. Estos detectores pueden ser terriblemente caros.

Olas a medida

Para eliminar la necesidad de detectores rápidos, los científicos 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. Se logra esta imagen holográfica a la vuelta 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 un escaneo de trama que requiere mucho tiempo o necesitan grandes áreas de sondeo para medir la señal de luz dispersa.

Sin embargo, la nueva tecnología supera estos problemas y es el primer método para obtener imágenes alrededor de las esquinas y mediante medios de dispersión que combina una alta resolución espacial, una alta resolución temporal, un área de sondeo pequeña y un gran campo de visión angular. Esto significa que la cámara puede captar pequeñas características en espacios reducidos, así como objetos ocultos en grandes áreas con alta resolución, incluso cuando los objetos se mueven.

Convirtiendo '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 montarse en la parte superior de un automóvil), rebota en la barrera y luego golpea el objeto en la esquina. La luz luego rebota hacia la barrera y finalmente regresa al detector de la unidad de sensor.

Es como si pudiéramos colocar una cámara computacional virtual en cada superficie remota para ver el mundo desde la perspectiva de la superficie.

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 coches o animales fuera de la vista en la curva. 

Esta técnica convierte las paredes en espejos. 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 la obtención de 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 luz para ver alrededor de los muchos pliegues del interior de los intestinos.

De manera similar, la holografía de longitud de onda sintética podría obtener imágenes del interior de equipos industriales mientras aún está funcionando, una hazaña que es imposible para los endoscopios actuales.

Aunque la tecnología es actualmente un prototipo, los investigadores creen 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, pero llegará.

Fuente: “Fast Non-Line-of-Sight Imaging with High-Resolution and Wide Field of View using Synthetic Wavelength Holography” 17 November 2021, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-021-26776-w

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