Une configuration de l’un des prototypes de caméra en laboratoire. Crédit : Florian Willomitzer/Université Northwestern
L’appareil peut voir dans les coins et à travers les milieux de diffusion comme le brouillard et les tissus humains.
Université du nord-ouest les chercheurs ont inventé une nouvelle caméra haute résolution qui peut voir l’invisible, y compris dans les coins et à travers des supports de diffusion, tels que la peau, le brouillard ou potentiellement même le crâne humain.
Appelée holographie à longueur d’onde synthétique, la nouvelle méthode fonctionne en diffusant indirectement une lumière cohérente sur des objets cachés, qui se dispersent ensuite à nouveau et retournent vers une caméra. À partir de là, un algorithme reconstruit le signal lumineux diffusé pour révéler les objets cachés. En raison de sa haute résolution temporelle, la méthode a également le potentiel d’imager des objets se déplaçant rapidement, tels que le cœur battant dans la poitrine ou des voitures roulant à grande vitesse au coin d’une rue.
L’étude sera publiée aujourd’hui (17 novembre 2021) dans la revue Communications naturelles.
Le domaine de recherche relativement nouveau de l’imagerie d’objets derrière des occlusions ou des milieux de diffusion est appelé imagerie sans visibilité directe (NLoS). Par rapport aux technologies d’imagerie NLoS associées, la méthode Northwestern peut capturer rapidement des images plein champ de vastes zones avec une précision submillimétrique. Avec ce niveau de résolution, la caméra informatique pourrait potentiellement imager à travers la peau pour voir même les plus petits capillaires à l’œuvre.
Bien que la méthode ait un potentiel évident pour l’imagerie médicale non invasive, les systèmes de navigation d’alerte précoce pour les automobiles et l’inspection industrielle dans des espaces étroitement confinés, les chercheurs pensent que les applications potentielles sont infinies.
“Notre technologie inaugurera une nouvelle vague de capacités d’imagerie”, a déclaré Florian Willomitzer de Northwestern, premier auteur de l’étude. « Nos prototypes de capteurs actuels utilisent la lumière visible ou infrarouge, mais le principe est universel et pourrait être étendu à d’autres longueurs d’onde. Par exemple, la même méthode pourrait être appliquée aux ondes radio pour l’exploration spatiale ou l’imagerie acoustique sous-marine. Il peut être appliqué à de nombreux domaines, et nous n’avons fait qu’effleurer la surface.
Willomitzer est professeur adjoint de recherche en génie électrique et informatique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Les co-auteurs de Northwestern incluent Oliver Cossairt, professeur agrégé d’informatique et de génie électrique et informatique, et ancien Ph.D. étudiant Fengqiang Li. Les chercheurs de Northwestern ont collaboré étroitement avec Prasanna Rangarajan, Muralidhar Balaji et Marc Christensen, tous chercheurs de la Southern Methodist University.
Interception de la lumière diffusée
Voir au coin de la rue par rapport à l’imagerie d’un organe à l’intérieur du corps humain peut sembler être des défis très différents, mais Willomitzer a déclaré qu’ils sont en fait étroitement liés. Les deux traitent des médias de diffusion, dans lesquels la lumière frappe un objet et se disperse de telle manière qu’une image directe de l’objet ne peut plus être vue.
“Si vous avez déjà essayé de faire briller une lampe de poche à travers votre main, alors vous avez vécu ce phénomène”, a déclaré Willomitzer. « Vous voyez un point lumineux de l’autre côté de votre main, mais, théoriquement, il devrait y avoir une ombre projetée par vos os, révélant la structure des os. Au lieu de cela, la lumière qui traverse les os est dispersée dans les tissus dans toutes les directions, brouillant complètement l’image de l’ombre.
Le but est alors d’intercepter la lumière diffusée afin de reconstituer les informations inhérentes à son temps de parcours pour révéler l’objet caché. Mais cela présente son propre défi.
“Rien n’est plus rapide que la vitesse de la lumière, donc si vous voulez mesurer le temps de déplacement de la lumière avec une grande précision, alors vous avez besoin de détecteurs extrêmement rapides”, a déclaré Willomitzer. « De tels détecteurs peuvent être terriblement chers. »
Des vagues sur mesure
Pour éliminer le besoin de détecteurs rapides, Willomitzer et ses collègues ont fusionné les ondes lumineuses de deux lasers afin de générer une onde lumineuse synthétique qui peut être spécifiquement adaptée à l’imagerie holographique dans différents scénarios de diffusion.
“Si vous pouvez capturer l’intégralité du champ lumineux d’un objet dans un hologramme, vous pouvez alors reconstruire la forme tridimensionnelle de l’objet dans son intégralité”, a expliqué Willomitzer. “Nous faisons cette imagerie holographique dans un coin ou à travers des diffuseurs – avec des ondes synthétiques au lieu d’ondes lumineuses normales.”
Au fil des ans, il y a eu de nombreuses tentatives d’imagerie NLoS pour récupérer des images d’objets cachés. Mais ces méthodes ont généralement un ou plusieurs problèmes. Ils ont soit une faible résolution, un champ de vision angulaire extrêmement petit, nécessitent un balayage de trame qui prend du temps ou nécessitent de grandes zones de sondage pour mesurer le signal lumineux diffusé.
La nouvelle technologie, cependant, surmonte ces problèmes et est la première méthode d’imagerie dans les coins et à travers des supports de diffusion qui combine une résolution spatiale élevée, une résolution temporelle élevée, une petite zone de sondage et un grand champ de vision angulaire. Cela signifie que la caméra peut imager de minuscules caractéristiques dans des espaces étroitement confinés ainsi que des objets cachés dans de grandes zones avec une haute résolution, même lorsque les objets se déplacent.
Transformer « les murs en miroirs »
Étant donné que la lumière ne circule que sur des chemins rectilignes, une barrière opaque (comme un mur, un arbuste ou une automobile) doit être présente pour que le nouvel appareil puisse voir dans les coins. La lumière est émise par l’unité de capteur (qui pourrait être montée sur le dessus d’une voiture), rebondit sur la barrière, puis frappe l’objet au coin de la rue. La lumière rebondit ensuite vers la barrière et finalement vers le détecteur de l’unité de capteur.
“C’est comme si nous pouvions installer une caméra de calcul virtuelle sur chaque surface distante pour voir le monde du point de vue de la surface”, a déclaré Willomitzer.
Pour les personnes conduisant des routes sinueuses à travers un col de montagne ou serpentant à travers une forêt rurale, cette méthode pourrait éviter les accidents en révélant d’autres voitures ou des cerfs juste hors de vue dans le virage. “Cette technique transforme les murs en miroirs”, a déclaré Willomitzer. « Cela s’améliore car la technique peut également fonctionner la nuit et par temps brumeux. »
De cette manière, la technologie à haute résolution pourrait également remplacer (ou compléter) les endoscopes pour l’imagerie médicale et industrielle. Au lieu d’avoir besoin d’une caméra flexible, capable de tourner les coins et de se tordre dans des espaces restreints – pour une coloscopie, par exemple – l’holographie synthétique à longueur d’onde pourrait utiliser la lumière pour voir autour des nombreux plis à l’intérieur des intestins.
De même, l’holographie de longueur d’onde synthétique pourrait imager l’intérieur d’un équipement industriel alors qu’il est encore en marche – un exploit impossible pour les endoscopes actuels.
“Si vous avez une turbine en marche et que vous souhaitez inspecter les défauts à l’intérieur, vous utiliserez généralement un endoscope”, a déclaré Willomitzer. « Mais certains défauts n’apparaissent que lorsque l’appareil est en mouvement. Vous ne pouvez pas utiliser un endoscope et regarder à l’intérieur de la turbine par l’avant pendant qu’elle fonctionne. Notre capteur peut regarder à l’intérieur d’une turbine en marche pour détecter des structures inférieures à un millimètre. »
Bien que la technologie soit actuellement un prototype, Willomitzer pense qu’elle sera éventuellement utilisée pour aider les conducteurs à éviter les accidents. “C’est encore un long chemin à parcourir avant de voir ce genre d’imageurs construits dans des voitures ou approuvés pour des applications médicales”, a-t-il déclaré. “Peut-être 10 ans ou même plus, mais ça viendra.”
Référence : « Imagerie rapide sans visibilité directe avec une résolution élevée et un champ de vision large à l’aide de l’holographie à longueur d’onde synthétique » 17 novembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26776-w
L’étude a été soutenue par DARPA (projet REVEAL HR0011-16-C-0028), la National Science Foundation (CAREER IIS-1453192) et l’Office of Naval Research (N00014-15-1-2735).
