合成波长全息（SWH）非视距成像，高清“透视”见所未见！
2021-11-22 20:35:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，美国西北大学（Northwestern University）的研究人员发明了一种新的非视距成像（NLoS）高分辨率相机，能够“透视”皮肤、雨雾以及人类头骨，甚至看到拐角后方等常理看不到的东西。

这种被称为合成波长全息（Synthetic Wavelength Holography, SWH）技术的新方法，将相干光间接散射到“隐藏的”物体上，然后由这些物体再次散射并返回相机，再利用一种算法重建散射光信号，实现原本看不到的隐藏物体成像。凭借其高时间分辨率，该方法还具有对快速运动物体成像的潜力，例如透过胸部观察心脏跳动，或街道拐角后方快速行驶的汽车等。

合成波长全息（SWH）技术成像示意图

利用合成波长全息（SWH）原理对拐角后方物体（b）和透过散射介质（c）进行非视距成像示意图

这项研究成果已刊登于近期发表的Nature Communications杂志。

这种通过遮挡介质或散射介质后对物体成像的相对较新的研究领域，被称为非视距成像。与其它非视距成像技术相比，西北大学的方案能够以亚毫米精度快速捕捉大场景的全场图像。凭借这种级别的分辨率，计算相机有望透过皮肤对最微小的毛细血管成像。

尽管该方案在无创医学成像、汽车预警导航系统以及密闭空间工业检查方面已经展现了明显的应用潜力，但研究人员认为，该技术还拥有无穷广阔的其它潜在应用。

这项研究的第一作者、西北大学Florian Willomitzer说：“我们的技术提供了全新层次的成像能力。目前开发的传感器原型利用了可见光或红外光，但其原理具有通用性，还可以扩展到其他波长。例如，同样的方法还可以应用于空间探索或水下声学成像的无线电波，以及更广泛的其他领域，我们现在刚刚开启了这扇大门。”

Willomitzer是西北大学McCormick工程学院电气和计算机工程系研究助理教授。其它合著者包括西北大学计算机科学、电气和计算机工程副教授Oliver Cossairt、前博士研究生Fengqiang Li等。

截获散射光

尽管对拐角后方物体成像和对人体内部器官成像看起来似乎是截然不同的挑战，但Willomitzer说，它们实际上是密切相关的。两者都涉及散射介质，其中光线照射到物体，并以一种无法再直接看到物体图像的方式散射。

利用合成波长全息（SWH）原理对拐角后方物体成像的实验演示及其分辨率评估

Willomitzer解释说：“我们曾经都用手电筒照射过自己的手掌，应该都看到过这种现象。我们会在手的另一侧看到一个亮点，但从理论上来说，应该有骨骼投射下的阴影，由此可以显示骨骼的结构。但事实上，通过骨骼的光线在人体组织内向各个方向散射，完全模糊了骨骼的图像。”

因此，我们的目标是截获散射光，以重建其传播过程中携带的内在信息，以揭示隐藏的物体。要实现这一目标，面临着很多挑战。

Willomitzer说：“没有什么比光速更快，所以，如果想要高精度地测量光的传播，那么就需要非常快的探测器。这种探测器会非常昂贵。”

定制化合成波

为了消除对快速探测器的需求，Willomitzer及其同事合并了来自两台激光器的光波，以产生一种合成光波，这种合成光波可以专门用于不同散射场景下的全息成像。

Willomitzer解释说：“如果我们能够在全息图中捕捉物体的整个光场，那么就可以完整地重建物体的3D形状。我们利用合成光波而不是普通光波，来对拐角后方物体或透过散射体进行全息成像。”

多年来，学界已经研究出了多种非视距成像方法，来尝试重建隐藏物体的图像。但这些方法通常存在或多或少的问题，要么分辨率低、视场角很小、需要耗时的光栅扫描，要么需要较大的探测区域来测量散射光信号。

西北大学开发的这项新技术克服了上述问题，是第一种将高空间分辨率、高时间分辨率、小探测区域和大视场角相结合的非视距成像方法。这意味着，相机能够以高分辨率对狭窄空间中的微小特征，以及大范围内的隐藏物体（即使在物体高速运动时）进行成像。

利用合成波长全息（SWH）原理透过散射介质成像的实验演示

把墙体变成“镜子”

由于光只能直线传播，因此，非视距成像需要存在不透明的障碍物（如墙体、灌木或汽车），以便反射光线，使新的非视距成像设备能够看到拐角后方的物体。例如，光从车顶的传感器单元发出，到墙体等障碍物发生反射，传播至拐角后方的物体，然后，光线由物体反射回墙体，并最终再反射回到传感器单元的探测器中。

Willomitzer说：“我们就像在每一个远距离的表面上安装了一个虚拟计算相机，并从它们的角度‘看’世界。”

对于在山间弯道行驶或在乡村林道中蜿蜒行驶的驾驶员来说，这种方法可以在弯道附近提前看到其他车辆或突然出现的动物，防止事故发生。“这项技术相当于将墙壁等障碍物变成了镜子。”Willomitzer说，“并且，它在夜间和多雾的天气条件下也能正常工作，因此比反射镜还好使。”

合成波长全息（SWH）非视距成像技术的优势及潜在应用：（a）更精细的探测区域，实现工业检测；（b）大视场，实现汽车防碰撞预警；（c）高空间分辨率，实现脑成像；（d）高时间分辨率，实现心脏成像。

通过这种高分辨率非视距技术，还有望取代（或补充）用于医疗和工业成像的内窥镜。例如，对于肠镜检查，这种合成波长全息技术，不需要能够在狭窄的空间中转弯和扭转的柔性内窥镜，它可以直接利用光来观察肠道内各种皱褶周围的情况。

同样地，这种合成波长全息技术还可以在工业设备运行时成像，这是当前内窥镜无法实现的重要突破。

Willomitzer说：“对于一台正在运行的涡轮机，想要检查其内部的缺陷，通常需要在停机的情况下使用内窥镜。但有些设备缺陷只有在运行时才会出现。当涡轮机运行时，是无法使用内窥镜查看涡轮机内部的。而我们开发的非视距传感器就可以对运行中的涡轮机内部进行成像，并检测毫米级以下的结构。”

虽然这项技术目前还只是一款原型，但Willomitzer相信它最终可以用于帮助驾驶员避免碰撞事故。他说：“当然，这种内置于汽车或医疗用途的非视距成像仪距离真正落地应用，还有很长的路要走，也许10年甚至更长，但它终会实现的。”

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》

《自动驾驶汽车、机器人出租车及其传感器-2021版》