Создана «шпионская» технология обнаружения скрытых объектов
Nature Photonics: технология UNCOVER позволяет обнаружить объект вне прямой видимости
Изображение: Caltech
Ученые Калифорнийского технологического института создали «шпионскую» технологию, которая позволяет обнаруживать объекты, не находящиеся в прямой видимости прибора. Для этого используются близлежащие поверхности, которые рассеивают свет от объекта. Подробно технология, которая может быть использована в беспилотных автомобилях и марсоходах, описана в журнале Nature Photonics.
Технологии обнаружения вне прямой видимости (англ. non-line-of-sight, NLOS) позволяют наблюдать объект, находящийся за углом, по отбрасываемым полутеням и отсветам на стены. Однако, поскольку стены преимущественно рассеивают свет, большинство методов NLOS не дают четкого изображения предмета. Хотя существуют компьютерные программы, позволяющие извлекать как можно больше полезной информации из зашумленных данных, они все равно не дают высокого разрешения.
Новый метод, названный UNCOVER, компенсирует рассеивание света за счет технологии формирования волнового фронта (англ. wavefront shaping), которую используют, например, для визуализации процессов в биологических тканях. Суть метода заключается в уменьшении разницы в фазах световых волн, которая возникает, когда лучи света после отражения рассеивающейся поверхностью начинают идти разными путями. Однако до сих пор для этого необходимо было использовать «путеводную звезду» — дополнительный точечный источник света, который находится рядом с целью и служит шаблоном.
«Путеводная звезда» функционирует следующим образом. Свет от точечного объекта при отражении от рассеивающей поверхности создает так называемую спекл-структуру — набор фаз со случайными сдвигами. Исследователи определяют спекл-структуру, пытаясь сфокусировать рассеянный свет обратно в точку. Затем данные о спекл-структуре используют, чтобы сфокусировать свет от более сложного предмета. Однако технология формирования волнового фронта в UNCOVER в качестве «путеводной звезды» использует не точечный источник света, а сам объект.
UNCOVER включает в себя модулятор волнового фронта, через который проходит луч света, направленный на стену, отражающей его на целевой объект. Волновой фронт оптимизируется, то есть модулируется таким образом, чтобы свет был сфокусирован на цели. О том, что свет попадает на цель, сообщают специальные детекторы, регистрирующие обратный поток света от объекта, который также отражается от стены. Сначала луч света последовательно подается на различные участки стены, при этом оптимизация фронта происходит в каждом случае. Затем фронт света расширяется, чтобы охватить сразу несколько участков стены одновременно. В конце концов луч света с оптимизированной волной подается сразу на все участки стены, благодаря чему его полностью удается сфокусировать на целевом объекте. Важным является то, что размер фокуса меньше самого объекта.
Таким образом, ученые формируют у луча света такую спекл-структуру, что при отражении от стены волновой фронт оказывается выровнен, то есть это рассеивание наоборот. UNCOVER позволяет «ощупывать» объект сфокусированным лучом света, что, по сути, является растровым сканированием. При этом детектор измеряет интенсивность света, отраженного объектом обратно на стену. В ходе экспериментов ученым удалось правильно визуализировать мишени в форме звезды, треугольника и буквенного символа.
