西北大学
实验室中一个相机原型的设置
学分:弗洛里安·威洛米策/西北大学 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，甚至可能是人类的头骨
这种被称为合成波长全息术的新方法是通过将相干光间接散射到隐藏的物体上，然后这些物体再次散射并传播回相机
从那里，一个算法重建散射光信号，以揭示隐藏的物体
由于它的高时间分辨率，该方法也有潜力对快速移动的物体成像，例如通过胸腔跳动的心脏或街角飞驰的汽车
这项研究将于11月11日发表
17发表在《自然通讯》杂志上
对遮挡或散射介质后面的物体进行成像的相对较新的研究领域被称为非视线成像
与相关的非视距成像技术相比，西北方法能够以亚毫米精度快速捕获大面积的全场图像
在这种分辨率下，计算相机有可能透过皮肤成像，甚至可以看到最微小的毛细血管
虽然这种方法在非侵入性医学成像、汽车预警导航系统以及在密闭空间的工业检测方面有着明显的潜力，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·威洛米策说:“我们的技术将迎来一波新的成像能力。”
“我们目前的传感器原型使用可见光或红外光，但原理是通用的，可以扩展到其他波长
例如，同样的方法可以应用于空间探索或水声成像的无线电波
它可以应用于许多领域，我们只是触及了表面
" 威洛米策是西北大学麦考密克工程学院电气和计算机工程的研究助理教授
西北大学的合著者包括奥利弗·科萨尔特，计算机科学和电子与计算机工程副教授，前博士
D
学生李
西北大学的研究人员与普拉桑娜·兰加拉扬、穆拉利达尔·巴拉吉和马克·克里斯滕森密切合作，他们都是南方卫理公会大学的研究人员
拦截散射光 看到一个角落和想象人体内的一个器官似乎是非常不同的挑战，但是威洛米策说它们实际上是密切相关的
两者都涉及散射介质，在这种介质中，光照射到物体上并以一种不再能看到物体的直接图像的方式散射
威洛米策说:“如果你曾经试图用手打手电筒，那么你就经历过这种现象。”
“你看到你手的另一边有一个亮点，但是，理论上，你的骨头应该有一个阴影，揭示了骨头的结构
相反，通过骨骼的光线在组织内向各个方向散射，完全模糊了阴影图像
" 因此，目标是截取散射光，以重建其传播时间的固有信息，从而揭示隐藏的物体
但这也带来了自身的挑战
威洛米策说:“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，那么你需要速度极快的探测器。”
“这种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，威洛米策和他的同事们将来自两个激光器的光波合并，以产生一种合成光波，这种合成光波可以专门用于不同散射场景下的全息成像
威洛米策解释说:“如果你能在全息图中捕捉到物体的整个光场，那么你就能完整地重建物体的三维形状。”
“我们在拐角处或通过散射体进行全息成像——用合成波代替普通光波
" 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
它们要么具有低分辨率、极小的视场角，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，并且是第一种在拐角周围和通过散射介质成像的方法，该方法结合了高空间分辨率、高时间分辨率、小探测区域和大角度视场
这意味着，相机可以以高分辨率成像狭窄空间中的微小特征以及大面积的隐藏物体——即使物体在移动
把“墙变成镜子” 因为光只能在直线路径上传播，所以必须有一个不透明的屏障(如墙、灌木或汽车)才能让新设备看到角落周围
光线从传感器单元(可以安装在汽车顶部)发出，从障碍物上反射，然后照射到拐角处的物体上
然后，光线反射回屏障，最终返回传感器单元的检测器
威洛米策说:“这就像我们可以在每一个遥远的表面上种植一个虚拟计算相机，从表面的角度来看世界。”
对于驾车穿过山口或蜿蜒穿过乡村森林的人来说，这种方法可以通过显示弯道附近看不见的其他汽车或鹿来防止事故
“这种技术把墙变成了镜子，”威洛米策说
“它变得更好，因为这项技术也可以在夜间和雾天工作
" 以这种方式，高分辨率技术也可以替代(或补充)用于医疗和工业成像的内窥镜
合成波长全息术可以利用光线观察肠道内的许多褶皱，而不是需要一台能够在狭窄空间转弯和扭曲的柔性摄像机——例如用于结肠镜检查
类似地，合成波长全息术可以在工业设备运行时在设备内部成像——这是目前内窥镜无法实现的壮举
“如果你有一台运转的涡轮机，想要检查里面的缺陷，你通常会使用内窥镜，”威洛米策说
“但有些缺陷只有在设备运行时才会显现出来
当涡轮机运转时，你不能使用内窥镜从前面看涡轮机内部
我们的传感器可以观察运行中的涡轮机内部，检测小于1毫米的结构
" 尽管这项技术目前只是一个原型，但威洛米策相信它最终会被用来帮助司机避免事故
他说:“在我们看到这种内置于汽车或获准用于医疗应用的成像器之前，还有很长的路要走。”
“也许10年甚至更久，但它会到来
"
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