ابتكر باحثو جامعة نورث ويسترن كاميرا جديدة عالية الدقة يمكنها رؤية ما لا يمكن رؤيته - بما في ذلك حول الزوايا وعبر الوسائط المتناثرة، مثل الجلد والضباب وربما حتى الجمجمة البشرية.
تعمل الطريقة الجديدة، التي يطلق عليها اسم الهولوغرافي ذي الطول الموجي الاصطناعي، عن طريق تشتيت الضوء المترابط بشكل غير مباشر على الأشياء المخفية، والتي تتشتت مرة أخرى وتنتقل مرة أخرى إلى الكاميرا. من هناك، تعيد الخوارزمية بناء إشارة الضوء المتناثرة للكشف عن الأشياء المخفية. نظراً لدقتها الزمنية العالية، تتمتع الطريقة أيضاً بإمكانية تصوير الأشياء سريعة الحركة، مثل القلب النابض من خلال الصندوق أو السيارات المسرعة حول زاوية الشارع.
يُطلق على مجال البحث الجديد نسبياً لتصوير الأشياء خلف الانسدادات أو الوسائط المتناثرة، التصوير دون خط البصر (NLoS). بالمقارنة مع تقنيات التصوير NLoS ذات الصلة، يمكن لطريقة جامعة نورث ويستيرن Northwestern التقاط صور المجال الكامل بسرعة لمناطق كبيرة بدقة أقل من مليمتر. مع هذا المستوى من الدقة، يمكن للكاميرا الحاسوبية أن تصور من خلال الجلد لترى حتى أصغر الشعيرات الدموية أثناء عملها.
في حين أن هذه الطريقة لديها إمكانات واضحة للتصوير الطبي غير الجراحي وأنظمة ملاحة الإنذار المبكر للسيارات والتفتيش الصناعي في الأماكن محكمة الإغلاق، يعتقد الباحثون أن التطبيقات المحتملة لا حصر لها.
قال فلوريان ويلوميتسر من نورث وسترن، المؤلف الأول للدراسة: "تقنيتنا ستدخل موجة جديدة من قدرات التصوير". تستخدم نماذج المستشعرات الحالية ضوءاً مرئياً أو ضوءاً تحت أحمر، لكن المبدأ عالمي ويمكن أن يمتد إلى أطوال موجية أخرى. على سبيل المثال، يمكن تطبيق الطريقة نفسهاعلى موجات الراديو لاستكشاف الفضاء أو التصوير الصوتي تحت الماء. يمكن تطبيقه على العديد من المناطق، ونحن قد خدشنا السطح فقط".
قام بهذه الدراسة باحثو جامعة نورث ويستيرن بالتعاون مع باحثي جامعة Southern Methodist.
اعتراض الضوء المتناثر
قد تبدو رؤية ما حول الزوايا مقابل تصوير عضو داخل جسم الإنسان، بمثابة تحديات مختلفة جداً، لكن يقول ويلوميتسر إنهما في الواقع مرتبطان ارتباطاً وثيقاً. كلاهما يتعامل مع وسائط تشتت، حيث يصطدم الضوء بجسم ما وينعكس عنه بطريقة لا يمكن بعدها رؤية صورة مباشرة لهذا الجسم بعد الآن.
قال ويلوميتسر: "إذا حاولت في أي وقت مضى تسليط مصباح يدوي على يدك، فهذا يعني أنك قد اختبرت هذه الظاهرة". "ترى بقعة مضيئة على الجانب الآخر من يدك، ولكن من الناحية النظرية، يجب أن يكون هناك ظل يلقى من عظامك، ويكشف عن بنية العظام. بدلاً من ذلك، ينتشر الضوء الذي يمر بالعظام داخل الأنسجة في جميع الاتجاهات، مما يؤدي إلى تشويش صورة الظل تماماً".
الهدف إذاً هو اعتراض الضوء المبعثر من أجل إعادة بناء المعلومات المتأصلة حول وقت سفره للكشف عن الشيء المخفي. لكن هذا بالتحديد هو ما يمثل التحدي الخاص بها.
وأضاف: "لا شيء أسرع من الضوء، لذلك إذا كنت تريد قياس وقت انتقال الضوء بدقة عالية، فأنت بحاجة إلى أجهزة كشف سريعة للغاية". "يمكن أن تكون هذه الكواشف مكلفة للغاية".
موجات مصممة
للتخلص من الحاجة إلى أجهزة كشف سريعة، قام ويلوميتسر وزملاؤه بدمج موجات ضوئية من جهازي ليزر لتوليد موجة ضوئية اصطناعية يمكن تخصيصها للتصوير الهولوغرافي في سيناريوهات تشتت مختلفة.
أوضح ويلوميتسر قائلاً: "إذا كان بإمكانك التقاط حقل الضوء بالكامل لكائن ما في صورة ثلاثية الأبعاد، فيمكنك إعادة بناء الشكل ثلاثي الأبعاد للكائن بالكامل". "نقوم بهذا التصوير المجسم حول الزاوية أو من خلال مبعثرات - بموجات تركيبية بدلاً من موجات الضوء العادية".
على مر السنين، كانت هناك العديد من محاولات التصوير NLoS لاستعادة صور الأشياء المخفية. لكن هذه الأساليب عادة ما تحتوي على مشكلة واحدة أو أكثر. لديهم دقة منخفضة، أو مجال زاوية صغير للغاية، أو يتطلب هذا التصوير مسحاً ضوئياً مستهلكاً للوقت أو يحتاجون إلى مناطق فحص كبيرة لقياس إشارة الضوء المتناثرة.
ومع ذلك، يمكن أن تتغلب التكنولوجيا الجديدة على هذه المشكلات، وهي الطريقة الأولى للتصوير حول الزوايا ومن خلال وسائط التشتت التي تجمع بين الدقة المكانية العالية والدقة الزمنية العالية ومنطقة التحقيق الصغيرة ومجال الرؤية الزاوي الكبير. هذا يعني أن الكاميرا يمكنها تصوير ميزات صغيرة في مساحات ضيقة بإحكام وكذلك أشياء مخفية في مناطق كبيرة بدقة عالية - حتى عندما تتحرك الكائنات.
تحويل الجدران إلى مرايا
نظراً لأن الضوء ينتقل فقط على مسارات مستقيمة، يجب وجود حاجز معتم (مثل جدار أو شجيرة أو سيارة) حتى يتمكن الجهاز الجديد من الرؤية حول الزوايا. ينبعث الضوء من وحدة الاستشعار (التي يمكن تركيبها أعلى السيارة)، ثم يرتد عن الحاجز، ثم يضرب الجسم الموجود في الزاوية. ثم يرتد الضوء مرة أخرى إلى الحاجز، ويعود في النهاية إلى كاشف وحدة المستشعر.
قال ويلوميتسر: "يبدو الأمر كما لو أنه يمكننا زرع كاميرا حسابية افتراضية على كل سطح بعيد لرؤية العالم من منظور السطح".
بالنسبة إلى الأشخاص الذين يقودون على الطرق التي تنحني عبر ممر جبلي أو يتسللون عبر غابة ريفية، يمكن أن تمنع هذه الطريقة الحوادث من خلال الكشف عن سيارات أخرى أو غزال بعيداً عن الأنظار حول المنعطف. قال ويلوميتسر: "هذه التقنية تحول الجدران إلى مرايا". "إنها تتحسن لأن التقنية يمكن أن تعمل أيضاً في الليل وفي ظروف الطقس الضبابي".
بهذه الطريقة، يمكن للتكنولوجيا عالية الدقة أيضاً أن تحل محل (أو تكمل) المناظير الداخلية للتصوير الطبي والصناعي. بدلاً من الحاجة إلى كاميرا مرنة، قادرة على الدوران في الزوايا والالتواء عبر المساحات الضيقة - لتنظير القولون، على سبيل المثال - يمكن للصور المجسمة ذات الطول الموجي الاصطناعي أن تستخدم الضوء لرؤية الطيات العديدة داخل الأمعاء.
وبالمثل، يمكن للتصوير الهولوغرافي ذي الطول الموجي الاصطناعي أن يصور داخل المعدات الصناعية، بينما لا يزال قيد التشغيل - وهو إنجاز مستحيل بالنسبة إلى المناظير الداخلية الحالية.
أضاف ويلوميتسر: "إذا كان لديك توربين قيد التشغيل وترغب في فحص العيوب في الداخل، فعادة ما تستخدم منظاراً داخلياً"... "لكن بعض العيوب لا تظهر إلا عندما يكون الجهاز في حالة حركة. لا يمكنك استخدام المنظار الداخلي والنظر داخل التوربين من الأمام أثناء تشغيله. يمكن لجهاز الاستشعار الخاص بنا النظر داخل التوربين الجاري تشغيله لاكتشاف الهياكل التي يقل حجمها عن ملليمتر واحد".
على الرغم من أن هذه التقنية تعد حالياًأنموذجاً أولياً، إلا أن ويلوميتسر يعتقد أنها ستستخدم في النهاية لمساعدة السائقين على تجنب الحوادث. وقال: "لا يزال الطريق طويلاً قبل أن نرى هذه الأنواع من أجهزة التصوير مركبة فعلاً في السيارات أو معتمدة في التطبيقات الطبية". "ربما 10 سنوات أو أكثر، لكنها في النهاية قادمة حتماً".
-----