Questa fotocamera olografica può vedere dietro gli angoli, sotto la pelle umana

I ricercatori hanno inventato una nuova fotocamera advert alta risoluzione che potrebbe essere in grado di “vedere l’invisibile”.

La telecamera potrebbe utilizzare la luce diffusa per vedere dietro gli angoli e potenzialmente anche vedere attraverso la pelle per consentire ai medici di osservare gli organi all’interno del corpo umano.

La fotocamera rappresenta un progresso nella ricerca in un nuovo campo della scienza chiamato imaging senza linea di vista, che riguarda la rappresentazione di oggetti oscurati o circondati da materiale che impedisce loro di essere visti.

“La nostra tecnologia introdurrà una nuova ondata di capacità di imaging”, ha affermato Florian Willomitzer, ricercatore della Northwestern University. “I nostri attuali prototipi di sensori utilizzano luce visibile o infrarossa, ma il principio è universale e potrebbe essere esteso ad altre lunghezze d’onda”.

Il metodo utilizzato dal staff ha anche il potenziale per visualizzare oggetti in rapido movimento, come un cuore che batte nel petto o macchine in corsa dietro l’angolo di una strada.

Willomitzer è l’autore di un articolo che descrive in dettaglio lo sviluppo della fotocamera pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

Come funziona?

La fotocamera funziona diffondendo indirettamente la luce che cade su un oggetto nascosto e questa luce viene quindi diffusa nuovamente alla fotocamera. Ciò significa utilizzare le superfici che oscurano l’oggetto, come un muro nel caso di vedere dietro un angolo, come uno specchio per far rimbalzare la luce sull’oggetto nascosto, e poi di nuovo sulla telecamera.

Una volta lì, un algoritmo ricostruisce il segnale luminoso e crea una rappresentazione olografica di obiettivi nascosti o oscurati. Il metodo è noto come olografia sintetica a lunghezza d’onda (SWH).

Ciò significa che se la luce può essere intercettata, è possibile determinare quanto tempo ha impiegato la luce per raggiungere l’oggetto. Da lì è possibile costruire un’immagine che riveli l’oggetto nascosto. Qualcosa che è più difficile di quanto possa sembrare inizialmente.

“Significa che la telecamera sviluppata dal team può vedere un oggetto solo se c’è una sorta di barriera tra esso e la telecamera. Questa tecnica trasforma i muri in specchi”, ha detto Willomitzer. “Niente è più veloce della velocità della luce, quindi se vuoi misurare il tempo di viaggio della luce con alta precisione, allora hai bisogno di rivelatori estremamente veloci.”

Poiché rilevatori come questo non costano poco, il staff della Northwestern University ha eliminato la necessità di questa tecnologia unendo le onde luminose di due laser che generano un’onda luminosa sintetica. Questo può essere specificamente adattato all’imaging olografico in diversi scenari di dispersione.

“Se riesci a catturare l’intero campo luminoso di un oggetto in un ologramma, allora puoi ricostruire la forma tridimensionale dell’oggetto nella sua interezza”, ha spiegato Willomitzer. “Facciamo questa immagine olografica dietro un angolo o attraverso diffusori, con onde sintetiche invece delle normali onde luminose”.

“Va meglio perché la tecnica può funzionare anche di notte e in condizioni di nebbia.”

Ciò significa che il sistema potrebbe essere l’ideale per i viaggiatori che guidano in condizioni pericolose come le strade di montagna.

Vedere dentro il corpo umano

Sebbene il problema di vedere dietro un angolo possa sembrare molto diverso da quello di scrutare un organo nel corpo umano, Willomitzer sottolinea che entrambe le cose riguardano la diffusione della luce in un modo che fa sì che un oggetto venga nascosto.

“Se hai mai provato a far brillare una torcia attraverso la tua mano, allora hai sperimentato questo fenomeno”, ha detto Willomitzer. “Vedi un punto luminoso sull’altro lato della tua mano, ma, in teoria, dovrebbe esserci un’ombra proiettata dalle tue ossa, che rivela la struttura delle ossa.”

Invece, ha continuato Willomitzer, la luce che attraversa le ossa si disperde all’interno del tessuto in tutte le direzioni, offuscando completamente l’immagine dell’ombra. Ciò significa che la fotocamera sviluppata dal staff potrebbe utilizzare quella dispersione proprio come utilizza la dispersione da superfici oscuranti.

“Il fenomeno fisico che rende impossibile l’immagine di oggetti nascosti con le fotocamere convenzionali o il tuo occhio è il fenomeno della dispersione della luce”, ha detto Willomitzer. “Un muro è un ‘diffusore di superficie’, il che significa che la luce che colpisce il muro viene diffusamente riflessa in tutte le direzioni. Per un diffusore di volume, come la pelle o la plastica lattiginosa, la luce entra nel materiale e rimbalza diverse volte prima di uscire di nuovo a una certa distanza posizione diversa e sotto diverse angolazioni.”

Il ricercatore ha spiegato che in entrambi i casi la luce diffusa perde completamente la sua struttura spaziale, il che rende impossibile l’imaging di oggetti nascosti con le fotocamere convenzionali.

Di conseguenza, un giorno potrebbe sostituire metodi di immaginazione intrusivi come gli endoscopi che devono essere inseriti nel corpo di un paziente.

Il staff ritiene che la tecnologia potrebbe essere utile in un’ampia gamma di applicazioni anche oltre, sia sulla Terra che al di fuori della sua superficie.

“Lo stesso metodo potrebbe essere applicato alle onde radio per l’esplorazione dello spazio o per l’imaging acustico subacqueo. Può essere applicato a molte aree e abbiamo solo scalfito la superficie”, ha affermato Willomitzer.

Il ricercatore ha aggiunto: “C’è ancora molta strada da fare prima di vedere questo tipo di imager integrati nelle auto o approvati per applicazioni mediche. Forse 10 anni o anche di più. Abbiamo mostrato un primo prototipo che dimostra la prima prova di principio. Attualmente stiamo lavorando per rendere il metodo più veloce, più economico e applicabile a una gamma più ampia di scenari di dispersione”.

Aggiornamento 26/11/21, 4:12 ET: questo articolo è stato aggiornato per includere i commenti di Florian Willomitzer.