Een unieke camera die op afstand een gedetailleerd beeld met micronresolutie kan vastleggen, maakt gebruik van een laser en technieken die lenen van holografie, microscopie en "Matrix"-stijl bullet time.

Een prototype gebouwd en getest door ingenieurs van Rice en Northwestern-universiteiten leest een door een laser verlichte plek en legt het "spikkelpatroon" vast met een camerasensor. Ruwe gegevens van tientallen cameraposities worden naar een computerprogramma gevoerd dat deze interpreteert en een beeld met hoge resolutie construeert.

Het systeem dat bekend staat als SAVI - voor "Synthetic Apertures for long range, subdiffractie-beperkte Visible Imaging"—heeft geen lange lens nodig om een ​​foto te maken van een object ver weg. Het prototype werkt alleen met coherente verlichtingsbronnen zoals lasers, maar Ashok Veeraraghavan, een Rice-assistent-professor in elektrische en computertechniek, zei dat het een stap is in de richting van een SAVI-cameraarray voor gebruik in zichtbaar licht.

"Vandaag, de technologie kan alleen worden toegepast op coherent (laser)licht, " zei hij. "Dat betekent dat je deze technieken nog niet kunt toepassen om buiten foto's te maken en de resolutie voor zonovergoten foto's te verbeteren. Onze hoop is dat op een dag, misschien over een decennium, we zullen dat vermogen hebben."

De technologie is het onderwerp van een open access paper in wetenschappelijke vooruitgang .

Labs onder leiding van Veeraraghavan van Rice en Oliver Cossairt van de McCormick School of Engineering van Northwestern hebben het apparaat gebouwd en getest dat interferentiepatronen tussen meerdere gespikkelde afbeeldingen vergelijkt. Net als de techniek die wordt gebruikt om het speciale "Matrix"-effect te bereiken, de foto's zijn vanuit iets andere hoeken genomen, maar met één camera die tussen schoten wordt bewogen in plaats van dat er veel achter elkaar worden afgevuurd.

Veeraraghavan legde uit dat de spikkels dienen als referentiebundels en in wezen een van de twee bundels vervangen die worden gebruikt om hologrammen te maken. Wanneer een laser een ruw oppervlak verlicht, de kijker ziet korrelachtige spikkels in de stip. Dat komt omdat een deel van het terugkerende licht dat wordt verstrooid vanaf punten op het oppervlak verder moet gaan en de collectieve golf uit fase gooit. De textuur van een stuk papier - of zelfs een vingerafdruk - is voldoende om het effect te veroorzaken.

De onderzoekers gebruiken deze fase-onregelmatigheden in hun voordeel.

"Het probleem dat we oplossen is dat het niet uitmaakt welke golflengte van het licht je gebruikt, de resolutie van het beeld - het kleinste kenmerk dat u in een scène kunt oplossen - hangt af van deze fundamentele grootheid die de diffractielimiet wordt genoemd, die lineair schaalt met de grootte van je diafragma, ' zei Veeraraghavan.

"Met een traditionele camera, hoe groter de fysieke grootte van de opening, hoe beter de resolutie, "zei hij. "Als je een opening wilt van een halve meter, je hebt mogelijk 30 glazen oppervlakken nodig om aberraties te verwijderen en een gerichte plek te creëren. Dit maakt je lens erg groot en lomp."

SAVI's "synthetische diafragma" omzeilt het probleem door een lange lens te vervangen door een computerprogramma en de spikkelgegevens in een afbeelding op te lossen. "Je kunt interferentiepatronen van een redelijke afstand vastleggen, "Zei Veeraraghavan. "Hoe ver hangt af van hoe sterk de laser is en hoe ver je kunt verlichten."

"Door aberratieschatting en correctie naar berekening te verplaatsen, we kunnen een compact apparaat maken dat ons hetzelfde oppervlak geeft als de lens die we willen zonder de grootte, gewicht, hoeveelheid en kosten, " zei Kossairt, een assistent-professor elektrotechniek en informatica aan Northwestern.

Hoofdauteur Jason Holloway, een Rice-alumnus die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Columbia University, suggereerde dat een reeks goedkope sensoren en plastic lenzen die elk een paar dollar kosten, op een dag de traditionele telelenzen kunnen vervangen die meer dan $ 100 kosten, 000. "We zouden in staat moeten zijn om exact dezelfde prestatie vast te leggen, maar tegen een veelvoud van lagere kosten, " hij zei.

Zo'n array zou de noodzaak voor een bewegende camera elimineren en alle gegevens in één keer vastleggen, "of zo dicht mogelijk bij dat "Zei Cossairt. "We willen dit naar een plek duwen waar we dingen dynamisch kunnen doen. Dat is wat echt uniek is:er is een weg naar realtime, vastleggen met hoge resolutie met behulp van deze benadering met synthetische diafragma's."

Cossairt begon na te denken over het idee bij het aanvragen van zijn National Science Foundation (NSF) CAREER Award. "Later, Ashok en ik raakten geïnteresseerd in synthetische diafragmatechnieken via enkele collega's van ons in Californië die ze in microscopie gebruikten."

Veeraraghavan zei dat SAVI steunt op het werk van het California Institute of Technology en de University of California, Berkeley, die de Fourier-ptiekografietechniek ontwikkelde waarmee microscopen afbeeldingen kunnen oplossen die verder gaan dan de fysieke beperkingen van hun optica.

De doorbraak van het SAVI-team was de ontdekking dat het de lichtbron aan dezelfde kant als de camera kon plaatsen in plaats van achter het doel. zoals bij transmissiemicroscopie, zei Cossairt. Hij bracht drie maanden door bij Rice om het systeem te ontwikkelen met Holloway en anderen in het laboratorium van Veeraraghavan.

"We begonnen met het maken van een grotere versie van hun microscoop, maar SAVI heeft extra technische uitdagingen. Dat oplossen is waar dit artikel over gaat, ' zei Veeraraghavan.