Una fotocamera unica in grado di catturare un'immagine dettagliata a risoluzione micron a distanza utilizza un laser e tecniche che prendono in prestito dall'olografia, microscopia e bullet time in stile "Matrix".

Un prototipo costruito e testato dagli ingegneri delle università Rice e Northwestern legge un punto illuminato da un laser e cattura il modello "maculato" con un sensore della fotocamera. I dati grezzi provenienti da dozzine di posizioni della telecamera vengono inviati a un programma per computer che li interpreta e costruisce un'immagine ad alta risoluzione.

Il sistema noto come SAVI - per "Aperture sintetiche per lunghe distanze, Imaging visibile a subdiffrazione limitata"—non ha bisogno di un obiettivo lungo per scattare una foto di un oggetto lontano. Il prototipo funziona solo con sorgenti di illuminazione coerenti come laser, ma Ashok Veeraraghavan, un assistente professore di Rice di ingegneria elettrica e informatica, ha detto che è un passo verso un array di telecamere SAVI per l'uso in luce visibile.

"Oggi, la tecnologia può essere applicata solo alla luce coerente (laser), " ha detto. "Ciò significa che non è possibile applicare queste tecniche per scattare foto all'aperto e migliorare la risoluzione per le immagini illuminate dal sole - per ora. La nostra speranza è che un giorno, forse tra un decennio da oggi, avremo questa capacità".

La tecnologia è oggetto di un documento ad accesso libero in Progressi scientifici .

I laboratori guidati da Veeraraghavan alla Rice e Oliver Cossairt alla McCormick School of Engineering della Northwestern hanno costruito e testato il dispositivo che confronta i modelli di interferenza tra più immagini maculate. Come la tecnica utilizzata per ottenere l'effetto speciale "Matrix", le immagini sono prese da angolazioni leggermente diverse, ma con una telecamera che viene spostata tra gli scatti invece di molti sparati in sequenza.

Veeraraghavan ha spiegato che le macchioline fungono da raggi di riferimento e sostituiscono essenzialmente uno dei due raggi utilizzati per creare ologrammi. Quando un laser illumina una superficie ruvida, lo spettatore vede puntini simili a grani nel punto. Questo perché parte della luce di ritorno diffusa dai punti sulla superficie deve andare più lontano e sfasare l'onda collettiva. La trama di un pezzo di carta - o anche un'impronta digitale - è sufficiente per causare l'effetto.

I ricercatori usano queste irregolarità di fase a loro vantaggio.

"Il problema che stiamo risolvendo è che non importa quale lunghezza d'onda della luce usi, la risoluzione dell'immagine - la caratteristica più piccola che puoi risolvere in una scena - dipende da questa grandezza fondamentale chiamata limite di diffrazione, che scala linearmente con la dimensione della tua apertura, " disse Veeraraghavan.

"Con una fotocamera tradizionale, maggiore è la dimensione fisica dell'apertura, migliore è la risoluzione, " disse. "Se vuoi un'apertura di mezzo piede, potresti aver bisogno di 30 superfici di vetro per rimuovere le aberrazioni e creare un punto di messa a fuoco. Questo rende il tuo obiettivo molto grande e ingombrante."

L'"apertura sintetica" di SAVI evita il problema sostituendo un obiettivo lungo con un programma per computer che risolve i dati delle macchie in un'immagine. "Puoi catturare schemi di interferenza da una distanza ragionevole, " Ha detto Veeraraghavan. "Quanto lontano dipende da quanto è forte il laser e quanto lontano puoi illuminare."

"Trasferendo la stima e la correzione dell'aberrazione al calcolo, possiamo creare un dispositivo compatto che ci dia la stessa superficie dell'obiettivo che vogliamo senza le dimensioni, il peso, volume e costo, " disse Cossairt, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla Northwestern.

L'autore principale Jason Holloway, un alunno di Rice che ora è ricercatore post-dottorato alla Columbia University, ha suggerito che una serie di sensori economici e obiettivi di plastica che costano pochi dollari ciascuno potrebbe un giorno sostituire i tradizionali teleobiettivi che costano più di $ 100, 000. "Dovremmo essere in grado di catturare la stessa identica performance ma a un costo di ordini di grandezza inferiore, " Egli ha detto.

Un tale array eliminerebbe la necessità di una telecamera in movimento e catturerebbe tutti i dati contemporaneamente, "o il più vicino possibile a quello, "Cossairt ha detto. "Vogliamo spingere questo punto in cui possiamo fare le cose in modo dinamico. Questo è ciò che è veramente unico:c'è una strada verso il tempo reale, cattura ad alta risoluzione utilizzando questo approccio di apertura sintetica."

Cossairt ha iniziato a pensare all'idea quando ha fatto domanda per il suo premio alla CARRIERA della National Science Foundation (NSF). "Più tardi, Ashok e io ci siamo interessati alle tecniche di apertura sintetica attraverso alcuni nostri colleghi in California che le stavano usando in microscopia".

Veeraraghavan ha affermato che SAVI si basa sul lavoro del California Institute of Technology e dell'Università della California, Berkeley, che ha sviluppato la tecnica della tticografia di Fourier che consente ai microscopi di risolvere le immagini oltre i limiti fisici della loro ottica.

La svolta del team SAVI è stata la scoperta che poteva mettere la fonte di luce sullo stesso lato della fotocamera anziché dietro il bersaglio, come nella microscopia a trasmissione, disse cosairt. Ha trascorso tre mesi alla Rice per sviluppare il sistema con Holloway e altri nel laboratorio di Veeraraghavan.

"Abbiamo iniziato realizzando una versione più grande del loro microscopio, ma SAVI ha ulteriori sfide tecniche. Risolvere questi è ciò di cui tratta questo documento, " disse Veeraraghavan.