新型全息照相机能高精度地捕捉不可见的东西

诸平

A setup of one of the camera prototypes in the laboratory. Credit: Florian Willomitzer/Northwestern University

据美国西北大学（Northwestern University）2021年11月17日提供的消息，新型全息照相机能高精度地捕捉不可见的东西（New holographic camera sees the unseen with high precision）。美国西北大学的研究人员发明的这种新的高分辨率相机，它可以看到看不见的东西，包括拐角处，以及通过散射介质，如皮肤、雾，甚至可能是人的头骨。

这种被称为合成波长全息术（synthetic wavelength holography）的新方法通过间接将相干光（coherent light）散射到隐藏物体上，然后这些物体再次散射并返回到相机。从那里，一个算法重建散射光（scattered light）信号揭示隐藏的对象。由于它的高时间分辨率，该方法也有潜力成像快速移动的物体，如通过胸腔跳动的心脏或在街道拐弯处超速行驶的车辆。相关研究结果于2021年11月17日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Florian Willomitzer, Prasanna V. Rangarajan, Fengqiang Li, Muralidhar M. Balaji, Marc P. Christensen, Oliver Cossairt. Fast non-line-of-sight imaging with high-resolution and wide field of view using synthetic wavelength holography. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 6647. DOI: 10.1038/s41467-021-26776-w. Published: 17 November 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26776-w

遮挡或散射介质后的成像对象是一个比较新的研究领域，称为非视距(non-line-of-sight简称NLoS)成像。与相关的NLoS成像技术相比，西北大学的方法可以快速捕捉亚毫米精度的大面积全场图像。有了这样的分辨率，计算像机（computational camera）就有可能通过皮肤成像，甚至可以看到工作中最微小的毛细血管（capillaries）。

虽然这种方法在非侵入性医学成像、汽车预警导航系统和密闭空间的工业检查方面具有明显的潜力，但研究人员相信潜在的应用是无限的。

这项研究的第一作者、西北大学的弗洛里安·威洛米泽（Florian Willomitzer）说：“我们的技术将迎来成像能力的新浪潮。我们目前的传感器原型使用可见光或红外光（infrared light），但其原理是通用的，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下声学成像（underwater acoustic imaging）的无线电波。它可以应用于许多领域，我们还只是涉猎皮毛。”

弗洛里安·威洛米泽是西北大学麦考密克工程学院（Northwestern's McCormick School of Engineering）电子和计算机工程研究助理教授。还有西北大学计算机科学和电子与计算机工程副教授Oliver Cossairt，以及前博士生李丰强（Fengqiang Li音译）。西北大学的研究人员与南卫理公会大学（Southern Methodist University）的研究人员Prasanna Rangarajan、Muralidhar Balaji和Marc Christensen密切合作。

拦截散射光（Intercepting scattered light）

在拐弯处观察和在人体内部成像可能看起来是非常不同的挑战，但弗洛里安·威洛米泽说它们实际上是密切相关的。这两种方法都涉及散射介质，即光线击中物体并以一种无法再看到物体直接图像的方式散射。

弗洛里安·威洛米泽说：“如果你曾经试过用手电筒照过你的手，那么你就会经历这种现象，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，显示出骨头的结构。相反，通过骨骼的光线在组织中分散到各个方向，完全模糊了阴影图像。”

因此，目标是拦截散射的光，以重建关于其旅行时间的固有信息，以揭示隐藏的物体。但这也带来了挑战。

弗洛里安·威洛米泽说：“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，那么你需要非常快的探测器，这种探测器可能非常昂贵。”

定制的波（Tailored waves）

为了消除对快速探测器的需求，弗洛里安·威洛米泽和他的同事们合并了来自两个激光器的光波，以产生一种合成光波，这种合成光波可以在不同的散射场景下专门定制全息成像。弗洛里安·威洛米泽解释道：“如果你能在全息图中捕捉到一个物体的整个光场，那么你就能完整地重建该物体的三维形状。我们在一个拐弯处或者通过合成波而不是普通光波的散射体进行全息成像。”

多年来，有许多NLoS成像尝试恢复隐藏物体的图像。但这些方法通常有一个或多个问题。它们要么分辨率低，视野角极小，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，是第一个在角落和通过散射介质成像的方法，它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野。这意味着相机可以在狭窄的空间中拍摄微小的特征，也可以在大范围内拍摄高分辨率的隐藏物体，即使物体在移动。

使“墙变成镜子”（ Turning 'walls into mirrors'）

因为光只能在直线上传播，所以必须有一个不透明的屏障(如墙、灌木或汽车)，以便新设备能够看到拐弯处。光线从传感器单元(可以安装在汽车顶部)发出，从屏障反弹，然后击中拐弯处的物体。然后光线反射回屏障，最终返回到传感器单元的探测器。

弗洛里安·威洛米泽说：“这就像我们可以在每一个遥远的表面上放置一个虚拟的计算照相机，从表面的角度看世界。”

在山口或蜿蜒穿过乡村森林中行驶时，如果在拐弯处出现视线之外的车辆或鹿，就可以避免事故的发生。弗洛里安·威洛米泽说：“这种技术可以把墙壁变成镜子。这项技术还可以在夜间和大雾天气条件下工作，因此效果会更好。”

通过这种方式，高分辨率技术也可以取代(或补充)医学和工业成像的内窥镜（endoscopes）。例如，合成波长全息术可以利用光来观察肠道内的许多褶皱，而不需要一个能够旋转拐角和扭转狭窄空间的柔性摄像机来进行结肠镜检查。

类似地，合成波长全息术可以在工业设备内成像，而目前的内窥镜无法实现这一壮举。

弗洛里安·威洛米泽说:“如果你有一个运行中的涡轮机，想要检查内部的缺陷，你通常会使用内窥镜，因为有些缺陷只在设备运行时才会显现出来。从前面因为设备运行就不可能进行相关检查。我们的传感器可以观察正在运行的涡轮机内部，甚至可以探测小于一毫米的结构。”

虽然这项技术目前还处于雏形阶段，但弗洛里安·威洛米泽相信它最终会被用于帮助司机避免事故。他说:“在我们看到这种成像仪安装在汽车上或被批准用于医疗应用之前，还有很长的路要走。也许10年甚至更久，但它终将会到来的。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The presence of a scattering medium in the imaging path between an object and an observer is known to severely limit the visual acuity of the imaging system. We present an approach to circumvent the deleterious effects of scattering, by exploiting spectral correlations in scattered wavefronts. Our Synthetic Wavelength Holography (SWH) method is able to recover a holographic representation of hidden targets with sub-mm resolution over a nearly hemispheric angular field of view. The complete object field is recorded within 46 ms, by monitoring the scattered light return in a probe area smaller than 6 cm × 6 cm. This unique combination of attributes opens up a plethora of new Non-Line-of-Sight imaging applications ranging from medical imaging and forensics, to early-warning navigation systems and reconnaissance. Adapting the findings of this work to other wave phenomena will help unlock a wider gamut of applications beyond those envisioned in this paper.