Une nouvelle méthode d'imagerie révèle des objets cachés

Même si la figure en rouge est cachée, hors de la ligne de visée directe de la figure en vert, le rayonnement naturellement émis par la figure cachée à des longueurs d'onde submillimétriques trahit sa présence. À ces longues longueurs d'onde, de nombreux types de murs agissent comme des miroirs partiels, reflétant la lumière dans la vue de la figure verte. Crédit :NIST

Une nouvelle façon d'imager les objets cachés, conçue par un chercheur du National Institute of Standards and Technology (NIST) et ses collègues, pourrait retirer tout le plaisir de la cache-cache, mais pourrait également aider à sauver des vies.

L'imagerie de scènes qui se trouvent en dehors de la ligne de mire directe d'un observateur pourrait grandement améliorer les missions de recherche et de sauvetage, telles que la recherche d'un enfant perdu dans une usine abandonnée, ainsi que les opérations de surveillance militaire et policière, telles que la découverte d'un terroriste caché ou d'un bastion ennemi. La capacité de voir dans les virages et de reconstruire une image complète d'un objet caché ou d'un obstacle en temps réel pourrait également un jour améliorer la vision robotique ainsi que la sécurité et la précision des voitures autonomes. (À l'heure actuelle, la méthode du prototype ne peut pas créer une image instantanément.)

La plupart des méthodes conventionnelles utilisées pour imager des objets derrière un obstacle utilisent une source de lumière externe - des impulsions ultra-courtes de lumière laser visible ou infrarouge, par exemple. La source de lumière illumine initialement un mur qui diffuse la lumière dans la région cachée. Lorsque la lumière frappe un objet caché, l'objet rediffuse une partie de la lumière vers le mur où il peut être détecté.

Cependant, l'imagerie d'objets cachés en utilisant uniquement la lumière visible et infrarouge est difficile. À ces longueurs d'onde relativement courtes, un mur typique, aussi lisse soit-il au toucher humain, se présente comme une surface rugueuse et diffuse la lumière entrante dans toutes les directions. Il révèle donc moins d'informations sur les objets que la lumière réfléchie par une surface lisse ou réfléchissante et nécessite des algorithmes sophistiqués et un temps de calcul important pour créer même une image semi-nette. De plus, l'éclairage pourrait indiquer aux adversaires qu'ils sont sous surveillance.

D'autres méthodes, qui ne nécessitent pas de source lumineuse, analysent les ombres projetées par un objet caché sur un mur, ou détectent la chaleur (rayonnement infrarouge) naturellement émise par le corps caché et diffusée de manière diffuse dans la vue. Mais ces approches nécessitent également un temps de calcul et d'analyse important. "Un bon algorithme et beaucoup de puissance informatique peuvent extraire une image, mais pas une très bonne", a déclaré le physicien du NIST Erich Grossman.

Grossman et ses collègues ont basé leur nouvelle approche sur la détection d'infimes quantités de rayonnement de longueur d'onde beaucoup plus longue - la gamme "submillimétrique" du spectre de la lumière qui se situe juste au-delà du rayonnement micro-ondes et que les personnes et les objets émettent également naturellement. À ces longues longueurs d'onde invisibles, allant de 300 micromètres à 1 millimètre, les murs constitués de divers matériaux semblent relativement lisses et agissent comme des miroirs partiels, réfléchissant plutôt que diffusant de manière diffuse le rayonnement d'un objet dissimulé.

La configuration de l'expérience chez Erich Grossman, où l'objet caché (Grossman lui-même) était assis juste derrière un mur occultant ou dissimulant, hors de la vue directe des détecteurs. « Mur sous test » évoque les différents types de murs, y compris les carreaux de céramique et le contreplaqué, que l'équipe a examinés pour déterminer ceux qui réfléchissaient le mieux le rayonnement submillimétrique. Crédit :E. Grossman/NIST

Pour créer une image, le rayonnement réfléchi doit être dirigé et focalisé. Contrairement à la lumière visible, le rayonnement submillimétrique ne peut pas être dirigé par des lentilles en verre. Au lieu de cela, Grossman et ses collègues se sont appuyés sur des miroirs incurvés pour concentrer la lumière invisible.

En expérimentant leur prototype, Grossman et ses collaborateurs de l'Université du Minnesota Twin Cities à Minneapolis ont démontré qu'ils pouvaient construire des images d'objets cachés derrière des murs en 20 minutes environ.

La technique du prototype utilise des transistors au phosphure d'indium de pointe, qui amplifient le rayonnement submillimétrique avec peu de bruit sur une large gamme de longueurs d'onde. La méthode ne nécessite pas d'algorithmes complexes ni d'analyses informatiques intensives. "Ce qui est cool avec cette méthode, c'est sa simplicité", a déclaré Grossman. "Il n'y a pas de mécanique quantique, pas de relativité, il n'y a rien de cryogénique ou de fantaisie, juste des transistors, un ordinateur de base et des miroirs", a-t-il ajouté. L'ensemble de l'appareil est suffisamment petit pour tenir dans un sac à dos.

Les installations du NIST étant fermées pendant le pic de la pandémie de COVID-19, Grossman a utilisé sa propre maison, transformant la chambre de sa fille, qui était partie pour l'université, en un laboratoire de fortune. Grossman lui-même était le corps caché derrière un mur.

Il a testé des murs constitués d'une gamme de matériaux de construction intérieurs courants pour déterminer lesquels reflétaient suffisamment de rayonnement submillimétrique pour former une image, notamment des panneaux muraux humides et secs, du contreplaqué, des panneaux de bois, des parpaings non peints et des carreaux de cuisine en pierre. Les murs qui reflétaient au moins 5% du rayonnement submillimétrique étaient les meilleurs pour produire des images de corps cachés. Ceux-ci comprenaient des panneaux muraux secs, des lambris en bois, des planches de sol en vinyle, du contreplaqué, des carreaux de cuisine en pierre et des panneaux de fibres à densité moyenne.

Avec un plus grand réseau de détecteurs et de transistors, Grossman a déclaré que la méthode devrait être capable d'imager des objets cachés en temps réel. + Explorer plus loin