Pesquisadores inventam uma nova câmera que pode ver o invisível

Pesquisadores da Universidade Northwestern inventaram uma nova câmera de alta resolução que pode ver o invisível — inclusive em cantos e através de meios de dispersão, como pele, neblina ou potencialmente até mesmo o crânio humano.

Chamado holografia de comprimento de onda sintético, o novo método funciona espalhando indiretamente luz coerente em objetos ocultos, que então se espalha novamente e viaja de volta para uma câmera. A partir daí, um algoritmo reconstrói o sinal de luz dispersa para revelar os objetos ocultos. Devido à sua alta resolução temporal, o método também tem potencial para imagem de objetos em movimento rápido, como o coração batendo no peito ou carros em alta velocidade ao virar de uma esquina.

O estudo foi publicado dia 17/10/2021 na revista Nature Communications.

O campo de pesquisa relativamente novo de objetos de imagem por trás de oclusãos ou mídia de dispersão é chamado de imagem não-linha de visão (NLoS). Comparado com as tecnologias de imagem NLoS relacionadas, o método Northwestern pode capturar rapidamente imagens de campo inteiro de grandes áreas com precisão submlímdia. Com esse nível de resolução, a câmera computacional poderia potencialmente imaginar através da pele para ver até mesmo os menores capilares no trabalho.

Embora o método tenha um potencial óbvio para imagens médicas não invasivas, sistemas de navegação de alerta antecipado para automóveis e inspeção industrial em espaços bem confinados, os pesquisadores acreditam que as aplicações potenciais são infinitas.

Interceptando luz dispersa

Ver em torno de um canto versus imagem de um órgão dentro do corpo humano pode parecer desafios muito diferentes, mas Willomitzer disse que eles estão realmente intimamente relacionados. Ambos lidam com a mídia de dispersão, na qual 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 brilhar uma lanterna através de sua mão, então você já experimentou esse fenômeno”, disse Willomitzer. “Você vê um ponto brilhante do outro lado da sua mão, mas, teoricamente, deve haver uma sombra lançada por seus ossos, revelando a estrutura dos ossos. Em vez disso, a luz que passa os ossos fica espalhada dentro do tecido em todas as direções, borrando completamente a imagem da sombra.”

O objetivo, então, é interceptar a luz dispersa a fim de reconstruir as informações inerentes sobre seu tempo de viagem para revelar o objeto oculto. Mas isso apresenta seu próprio desafio.

Ondas sob medida

Para eliminar a necessidade de detectores rápidos, Willomitzer e seus colegas fundiram ondas de luz de dois lasers, a fim de gerar uma onda de luz sintética que pode ser especificamente adaptada à imagem holográfica em diferentes cenários de dispersão. Como explica Willomitzer: “Fazemos essa imagem holográfica em torno de um canto ou através de dispersores – com ondas sintéticas em vez de ondas de luz normais.”

Ao longo dos anos, houve muitas tentativas de imagem NLoS para recuperar imagens de objetos escondidos. Mas esses métodos normalmente têm um ou mais problemas. Eles têm baixa resolução, um campo angular extremamente pequeno de consideração, requerem uma varredura de raster demorado ou precisam de grandes áreas de sondagem para medir o sinal de luz dispersa.

A nova tecnologia, no entanto, supera essas questões e é o primeiro método para a imagem ao redor dos cantos e através de meios de dispersão que combinam alta resolução espacial, alta resolução temporal, uma pequena área de sondagem e um grande campo de visão angular. Isso significa que a câmera pode imaginar pequenas características em espaços bem confinados, bem como objetos escondidos em grandes áreas com alta resolução — mesmo quando os objetos estão se movendo.

Tecnologia

A tecnologia combina duas ondas de luz de lasers para criar um campo de ondas sintéticas que refletido por um objeto oculto é capturado como um holograma e ai um algoritmo reconstrói o holograma para revelar uma imagem do objeto obscurecido e a câmera poderia ser usada para ajudar os motoristas a ver em curvas para evitar acidentes, como um dispositivo de imagem médica não invasivo, para inspeção industrial e muito mais.

Transformando ‘paredes em espelhos'

Como a luz só viaja em caminhos retos, uma barreira opaca (como uma parede, arbusto ou automóvel) deve estar presente para que o novo dispositivo veja nas esquinas. A luz é emitida a partir da unidade do sensor (que poderia ser montada em cima de um carro), salta para fora da barreira, em seguida, atinge o objeto ao virar da esquina. A luz então volta para a barreira e, finalmente, volta para o detector da unidade do sensor.

Dessa forma, a tecnologia de alta resolução também poderia substituir (ou complementar) endoscópios por imagens médicas e industriais. Em vez de precisar de uma câmera flexível, capaz de virar cantos e torcer por espaços apertados — para uma colonoscopia, por exemplo — a holografia de comprimento de onda sintética poderia usar a luz para ver ao redor das muitas dobras dentro dos intestinos.

Da mesma forma, a holografia do comprimento de onda sintético poderia ser imagem dentro de equipamentos industriais enquanto ainda está em execução — um feito que é impossível para os endoscópios atuais.

“Se você tem uma turbina em funcionamento e quer inspecionar defeitos no interior, você normalmente usaria um endoscópio”, disse Willomitzer. “Mas alguns defeitos só aparecem quando o dispositivo está em movimento. Você não pode usar um endoscópio e olhar dentro da turbina da 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 seja atualmente um protótipo, Willomitzer acredita que ela eventualmente será usada para ajudar os motoristas a evitar acidentes. “Ainda há um longo caminho a percorrer até vermos esse tipo de imagers embutidos em carros ou aprovados para aplicações médicas”, disse ele. “Talvez 10 anos ou até mais, mas virá.”

Fonte: Conteúdo enviado pela Assessoria de Imprensa Northwestern University / Artigo nature communications