Os pesquisadores da Northwestern University inventaram uma nova câmera de alta resolução que pode ver o que não é visto – inclusive nos cantos e por meio de meios de difusão, como pele, névoa ou potencialmente até mesmo o crânio humano.
Chamado de holografia de comprimento de onda sintética, o novo método funciona espalhando indiretamente luz coerente em objetos ocultos, que então se espalham novamente e viajam de volta para uma câmera. A partir daí, um algoritmo reconstrói o sinal de luz espalhada para revelar os objetos ocultos. Devido à sua alta resolução temporal, o método também tem potencial para gerar imagens de objetos em movimento rápido, como o coração batendo no peito ou carros em alta velocidade na esquina.
O estudo foi publicado em 17 de novembro na revista Nature Communications.
O campo de pesquisa relativamente novo de objetos de imagem por trás de oclusões ou mídia de dispersão é chamado de imagem não-linha de visão (NLoS). Comparado às tecnologias de imagem NLoS relacionadas, o método Northwestern pode capturar rapidamente imagens de campo completo de grandes áreas com precisão submilimétrica. Com esse nível de resolução, a câmera computacional poderia potencialmente obter imagens através da pele para ver até mesmo os menores capilares em funcionamento.
Embora o método tenha um potencial óbvio para imagens médicas não invasivas, sistemas de navegação de alerta precoce para automóveis e inspeção industrial em espaços confinados, os pesquisadores acreditam que as aplicações potenciais são infinitas.
“Nossa tecnologia dará início a uma nova onda de recursos de imagem”, disse Florian Willomitzer da Northwestern, primeiro autor do estudo. “Nossos protótipos de sensores atuais usam luz visível ou infravermelha, mas o princípio é universal e pode ser estendido a outros comprimentos de onda. Por exemplo, o mesmo método pode ser aplicado a ondas de rádio para exploração espacial ou imagem acústica subaquática. Pode ser aplicado a muitos áreas, e nós apenas arranhamos a superfície. ”
Willomitzer é professor assistente de pesquisa em engenharia elétrica e de computação na McCormick School of Engineering da Northwestern. Os co-autores da Northwestern incluem Oliver Cossairt, professor associado de ciência da computação e engenharia elétrica e da computação, e ex-Ph.D. estudante Fengqiang Li. Os pesquisadores da Northwestern colaboraram estreitamente com Prasanna Rangarajan, Muralidhar Balaji e Marc Christensen, todos pesquisadores da Southern Methodist University.
Interceptando luz dispersa
Ver além de uma esquina em vez de imaginar um órgão dentro do corpo humano pode parecer desafios muito diferentes, mas Willomitzer disse que eles estão intimamente relacionados. Ambos lidam com meios de espalhamento, nos quais a luz atinge um objeto e se espalha de uma maneira que uma imagem direta do objeto não pode mais ser vista.
?Se você já tentou direcionar uma lanterna para a mão, já experimentou esse fenômeno?, disse Willomitzer. “Você vê um ponto brilhante do outro lado da mão, mas, teoricamente, deveria haver uma sombra projetada por seus ossos, revelando a estrutura dos ossos. Em vez disso, a luz que passa pelos ossos se espalha dentro do tecido em todas as direções , borrando completamente a imagem da sombra. ”
O objetivo, então, é interceptar a luz espalhada para reconstruir as informações inerentes sobre o tempo de viagem para revelar o objeto oculto. Mas isso apresenta seu próprio desafio.
“Nada é mais rápido do que a velocidade da luz, então se você deseja medir o tempo de viagem da luz com alta precisão, você precisa de detectores extremamente rápidos”, disse Willomitzer. “Esses detectores podem ser terrivelmente caros.”
Ondas personalizadas
Para eliminar a necessidade de detectores rápidos, Willomitzer e seus colegas mesclaram ondas de luz de dois lasers para gerar uma onda de luz sintética que pode ser adaptada especificamente para imagens holográficas em diferentes cenários de espalhamento.
“Se você pode capturar todo o campo de luz de um objeto em um holograma, então pode reconstruir a forma tridimensional do objeto em sua totalidade”, explicou Willomitzer. “Fazemos essa imagem holográfica em uma esquina ou por meio de dispersores – com ondas sintéticas em vez de ondas de luz normais.”
Ao longo dos anos, houve muitas tentativas de geração de imagens do NLoS para recuperar imagens de objetos ocultos. Mas esses métodos geralmente apresentam um ou mais problemas. Eles têm baixa resolução, um campo angular extremamente pequeno, requerem uma varredura raster demorada ou precisam de grandes áreas de sondagem para medir o sinal de luz espalhado.
A nova tecnologia, no entanto, supera esses problemas e é o primeiro método para imagens em torno de cantos e por meio de espalhamento que combina alta resolução espacial, alta resolução temporal, uma pequena área de sondagem e um grande campo de visão angular. Isso significa que a câmera pode criar imagens de recursos minúsculos em espaços estreitamente confinados, bem como objetos ocultos em grandes áreas com alta resolução – mesmo quando os objetos estão em movimento.
Transformando ‘paredes em espelhos’
Como a luz viaja apenas em caminhos retos, uma barreira opaca (como uma parede, um arbusto ou um automóvel) deve estar presente para que o novo dispositivo veja os cantos. A luz é emitida pela unidade do sensor (que pode ser montada no topo de um carro), ricocheteia na barreira e atinge o objeto na esquina. A luz então é refletida de volta para a barreira e, finalmente, de volta para o detector da unidade do sensor.
“É como se pudéssemos plantar uma câmera computacional virtual em cada superfície remota para ver o mundo da perspectiva da superfície”, disse Willomitzer.
Para as pessoas que dirigem em estradas que fazem curvas através de uma passagem na montanha ou serpenteando por uma floresta rural, esse método pode prevenir acidentes ao revelar outros carros ou cervos fora da vista na curva. “Essa técnica transforma paredes em espelhos”, disse Willomitzer. “Fica ainda melhor porque a técnica também pode funcionar à noite e em condições de nevoeiro.”
Dessa forma, a tecnologia de alta resolução também pode substituir (ou complementar) endoscópios para imagens médicas e industriais. Em vez de precisar de uma câmera flexível, capaz de virar cantos e girar em espaços apertados – para uma colonoscopia, por exemplo – a holografia de comprimento de onda sintética poderia usar luz para ver ao redor das muitas dobras dentro dos intestinos.
Da mesma forma, a holografia de comprimento de onda sintética pode gerar imagens dentro de equipamentos industriais enquanto eles ainda estão funcionando – um feito que é impossível para os endoscópios atuais.
“Se você tem uma turbina em funcionamento e deseja inspecionar defeitos internos, normalmente usa um endoscópio”, disse Willomitzer. ?Mas alguns defeitos só aparecem quando o dispositivo está em movimento. Não é possível usar um endoscópio e olhar para dentro da turbina de frente enquanto ela está funcionando. Nosso sensor pode olhar dentro de uma turbina em funcionamento para detectar estruturas menores que um milímetro. ”
Embora a tecnologia atualmente seja um protótipo, Willomitzer acredita que ela será usada para ajudar os motoristas a evitar acidentes. “Ainda é um longo caminho a percorrer antes de vermos esses tipos de imageadores construídos em carros ou aprovados para aplicações médicas”, disse ele. “Talvez 10 anos ou mais, mas virá.”
Publicado em 22/11/2021 10h42
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