SAVI -kamera dropper langt objektiv til fjerne billeder

Et unikt kamera, der kan fange et detaljeret mikronopløsningsbillede på afstand, bruger en laser og teknikker, der låner fra holografi, mikroskopi og "Matrix" -stil bullet tid.

En prototype bygget og testet af ingeniører ved Rice og nordvestlige universiteter læser et sted oplyst af en laser og fanger "speckle" -mønsteret med en kamerasensor. Rå data fra snesevis af kamerapositioner føres til et computerprogram, der fortolker det og konstruerer et billede i høj opløsning.

Systemet kendt som SAVI - for "Syntetiske åbninger til langdistance, subdiffraktionsbegrænset synlig billeddannelse "-behøver ikke en lang linse for at tage et billede af et fjernt objekt. Prototypen fungerer kun med sammenhængende belysningskilder som lasere, men Ashok Veeraraghavan, en assisterende professor i elektrisk og edb -teknik, sagde, at det er et skridt i retning af et SAVI -kameraarray til brug i synligt lys.

"I dag, teknologien kan kun anvendes på sammenhængende (laser) lys, "sagde han." Det betyder, at du ikke kan anvende disse teknikker til at tage billeder udendørs og forbedre opløsningen for solbelyste billeder - endnu. Vores håb er, at en dag måske et årti fra nu, vi vil have den evne. "

Teknologien er genstand for et åbent papir i Videnskab fremskridt .

Labs ledet af Veeraraghavan ved Rice og Oliver Cossairt ved Northwestern's McCormick School of Engineering byggede og testede enheden, der sammenligner interferensmønstre mellem flere flekkede billeder. Ligesom den teknik, der bruges til at opnå specialeffekten "Matrix", billederne er taget fra lidt forskellige vinkler, men med et kamera, der flyttes mellem skud i stedet for mange affyret i rækkefølge.

Veeraraghavan forklarede, at pletterne fungerer som referencebjælker og i det væsentlige erstatter en af ​​de to bjælker, der bruges til at skabe hologrammer. Når en laser belyser en ru overflade, seeren ser kornlignende pletter i prikken. Det skyldes, at noget af det tilbagevendende lys spredt fra punkter på overfladen har længere at gå og smider den kollektive bølge ud af fase. Teksturen på et stykke papir - eller endda et fingeraftryk - er nok til at forårsage effekten.

Forskerne bruger disse faseuregelmæssigheder til deres fordel.

"Problemet vi løser er, at uanset hvilken bølgelængde af lys du bruger, billedets opløsning - den mindste funktion, du kan løse i en scene - afhænger af denne grundlæggende størrelse, der kaldes diffraktionsgrænsen, som skaleres lineært med størrelsen på din blænde, "Sagde Veeraraghavan.

"Med et traditionelt kamera, jo større den fysiske størrelse af blænde, jo bedre opløsning, "sagde han." Hvis du vil have en blænde, der er en halv fod, du har muligvis brug for 30 glasoverflader for at fjerne afvigelser og skabe et fokuseret sted. Dette gør dit objektiv meget stort og omfangsrigt. "

SAVIs "syntetiske blænde" omgås problemet ved at udskifte en lang linse med et computerprogram, der løser plettet data til et billede. "Du kan fange interferensmønstre fra en rimelig afstand, "Veeraraghavan sagde." Hvor langt afhænger af, hvor stærk laseren er, og hvor langt væk du kan belyse. "

"Ved at flytte aberrationskalkulation og korrektion ud til beregning, vi kan oprette en kompakt enhed, der giver os det samme overfladeareal som det objektiv, vi ønsker uden størrelsen, vægt, mængde og pris, sagde Cossairt, en adjunkt i elektroteknik og datalogi ved Northwestern.

Hovedforfatter Jason Holloway, en risalumn, der nu er postdoktor ved Columbia University, foreslog en række billige sensorer og plastlinser, der koster et par dollars hver, kan en dag erstatte traditionelle teleobjektiver, der koster mere end $ 100, 000. "Vi burde være i stand til at fange præcis den samme ydeevne, men til størrelsesordener lavere omkostninger, " han sagde.

Et sådant array ville eliminere behovet for et kamera i bevægelse og fange alle data på én gang, "eller så tæt på det som muligt, "Cossairt sagde." Vi ønsker at skubbe dette hen, hvor vi kan gøre tingene dynamisk. Det er det, der virkelig er unikt:Der er en vej mod realtid, optagelse i høj opløsning ved hjælp af denne syntetiske blænde tilgang. "

Cossairt begyndte at tænke på ideen, da han ansøgte om sin National Science Foundation (NSF) CAREER Award. "Senere, Ashok og jeg blev interesseret i syntetiske blænde teknikker gennem nogle af vores kolleger i Californien, der brugte dem i mikroskopi. "

Veeraraghavan sagde, at SAVI læner sig op af arbejde fra California Institute of Technology og University of California, Berkeley, som udviklede Fourier ptychography -teknikken, der gør det muligt for mikroskoper at løse billeder ud over de fysiske begrænsninger i deres optik.

SAVI -teamets gennembrud var opdagelsen af, at det kunne sætte lyskilden på samme side som kameraet frem for bag målet, som ved transmissionsmikroskopi, Sagde Cossairt. Han tilbragte tre måneder hos Rice for at udvikle systemet sammen med Holloway og andre i Veeraraghavans laboratorium.

"Vi startede med at lave en større version af deres mikroskop, men SAVI har yderligere tekniske udfordringer. At løse dem er, hvad dette papir handler om, "Sagde Veeraraghavan.