Détails d'une image d'empreinte digitale prise à une distance de 1 mètre par le prototype SAVI développé dans les universités Rice et Northwestern. En haut se trouve l'un des nombreux motifs de mouchetures capturés par un laser se reflétant sur l'image d'origine. En bas, une impression claire est le résultat de la combinaison de dizaines d'images de l'empreinte digitale prises sous des angles légèrement différents et traitées par un programme "d'ouverture synthétique". Crédit :Jason Holloway/Université Rice
Une caméra unique qui peut capturer une image détaillée en résolution micronique à distance utilise un laser et des techniques empruntées à l'holographie, microscopie et bullet time de type « Matrix ».
Un prototype construit et testé par des ingénieurs des universités Rice et Northwestern lit un point illuminé par un laser et capture le motif « speckle » avec un capteur de caméra. Les données brutes de dizaines de positions de caméra sont transmises à un programme informatique qui les interprète et construit une image haute résolution.
Le système dit SAVI - pour "Synthetic Apertures for longue portée, Imagerie visible limitée à la subdiffraction" - n'a pas besoin d'un objectif long pour prendre une photo d'un objet lointain. Le prototype ne fonctionne qu'avec des sources d'éclairage cohérentes telles que des lasers, mais Ashok Veeraraghavan, un professeur assistant Rice en génie électrique et informatique, dit que c'est un pas vers une matrice de caméras SAVI pour une utilisation en lumière visible.
"Aujourd'hui, la technologie ne peut être appliquée qu'à la lumière cohérente (laser), " at-il dit. " Cela signifie que vous ne pouvez pas appliquer ces techniques pour prendre des photos à l'extérieur et améliorer la résolution des images éclairées par le soleil - pour l'instant. Notre espoir est qu'un jour, peut-être dans une décennie, nous aurons cette capacité."
La technologie fait l'objet d'un article en libre accès dans Avancées scientifiques .
Les laboratoires dirigés par Veeraraghavan à Rice et Oliver Cossairt à la McCormick School of Engineering de Northwestern ont construit et testé l'appareil qui compare les modèles d'interférence entre plusieurs images mouchetées. A l'instar de la technique utilisée pour obtenir l'effet spécial "Matrix", les images sont prises sous des angles légèrement différents, mais avec une seule caméra qui est déplacée entre les prises de vue au lieu de plusieurs tirées en séquence.
Yicheng Wu, étudiant diplômé de l'Université Rice, fait la démonstration du prototype SAVI, qui est capable de capturer les détails fins d'un objet à distance, remplacer efficacement un grand téléobjectif. La caméra prototype est sur une piste motorisée au premier plan à gauche, tandis qu'un laser à droite crée un motif moucheté sur la cible, une empreinte digitale. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Veeraraghavan a expliqué que les taches servent de faisceaux de référence et remplacent essentiellement l'un des deux faisceaux utilisés pour créer des hologrammes. Lorsqu'un laser éclaire une surface rugueuse, le spectateur voit des taches semblables à des grains dans le point. C'est parce qu'une partie de la lumière de retour diffusée à partir de points sur la surface a plus de chemin à parcourir et jette l'onde collective hors de phase. La texture d'un morceau de papier - ou même d'une empreinte digitale - suffit à provoquer l'effet.
Les chercheurs utilisent ces irrégularités de phase à leur avantage.
"Le problème que nous résolvons est que quelle que soit la longueur d'onde de la lumière que vous utilisez, la résolution de l'image - la plus petite caractéristique que vous pouvez résoudre dans une scène - dépend de cette quantité fondamentale appelée la limite de diffraction, qui évolue linéairement avec la taille de votre ouverture, " a déclaré Veeraraghavan.
"Avec un appareil photo traditionnel, plus la taille physique de l'ouverture est grande, meilleure est la résolution, " dit-il. " Si vous voulez une ouverture d'un demi-pied, vous aurez peut-être besoin de 30 surfaces de verre pour éliminer les aberrations et créer un point focalisé. Cela rend votre objectif très grand et encombrant."
"L'ouverture synthétique" de SAVI contourne le problème en remplaçant un objectif long par un programme informatique qui résout les données de speckle en une image. "Vous pouvez capturer des motifs d'interférence à une bonne distance, " a déclaré Veeraraghavan. " La distance dépend de la puissance du laser et de la distance à laquelle vous pouvez éclairer. "
"En déplaçant l'estimation et la correction des aberrations vers le calcul, nous pouvons créer un appareil compact qui nous donne la même surface que l'objectif que nous voulons sans la taille, poids, volume et coût, " dit Cossairt, professeur adjoint de génie électrique et d'informatique à Northwestern.
Un schéma montre le système SAVI à faisceau unique développé dans les universités Rice et Northwestern. Le système utilise un seul faisceau, plusieurs images et un logiciel sophistiqué pour capturer des images détaillées à distance. Crédit :Jason Holloway/Université Rice
Auteur principal Jason Holloway, un ancien élève de Rice qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Columbia, a suggéré une gamme de capteurs et de lentilles en plastique bon marché qui coûtent quelques dollars chacun pourrait un jour remplacer les téléobjectifs traditionnels qui coûtent plus de 100 $, 000. « Nous devrions être en mesure de capturer exactement les mêmes performances, mais à un coût inférieur de plusieurs ordres de grandeur, " il a dit.
Un tel réseau éliminerait le besoin d'une caméra mobile et capturerait toutes les données à la fois, "ou aussi près de cela que possible, " Cossairt a déclaré. "Nous voulons pousser cela là où nous pouvons faire les choses de manière dynamique. C'est ce qui est vraiment unique :il existe une voie vers le temps réel, capture haute résolution en utilisant cette approche d'ouverture synthétique."
Cossairt a commencé à réfléchir à l'idée lorsqu'il a postulé pour son prix CAREER de la National Science Foundation (NSF). "Plus tard, Ashok et moi nous sommes intéressés aux techniques d'ouverture synthétique par l'intermédiaire de certains de nos collègues en Californie qui les utilisaient en microscopie."
Veeraraghavan a déclaré que SAVI s'appuie sur les travaux du California Institute of Technology et de l'Université de Californie, Berkeley, qui a développé la technique de ptychographie de Fourier qui permet aux microscopes de résoudre des images au-delà des limites physiques de leur optique.
La percée de l'équipe SAVI a été la découverte qu'elle pouvait mettre la source lumineuse du même côté que la caméra plutôt que derrière la cible, comme en microscopie à transmission, dit Cossairt. Il a passé trois mois chez Rice pour développer le système avec Holloway et d'autres dans le laboratoire de Veeraraghavan.
"Nous avons commencé par faire une version plus grande de leur microscope, mais SAVI a des défis techniques supplémentaires. Résoudre ces problèmes est le sujet de cet article, " a déclaré Veeraraghavan.
