Fremover behøver vi ikke at bekymre os om, om der lurer en fare rundt om hjørnet. Amerikanske forskere har nemlig udviklet en ny type kamera, der i samarbejde med en laser kan tage knivskarpe billeder af objekter, som gemmer sig bag fremspring og forhindringer.
Teknologien er udviklet af forskere fra den amerikanske forskningsinstitution Massachusetts Institute of Technology (MIT) og præsenteret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Communications.
Landvindingen har været omtalt på en stribe udenlandske medier og blogs, hvilket har fået nysgerrige læsere til at opfordre Videnskab.dk til at beskrive den.
Hør historien fra hestens egen mund
Lederen af forskningsprojektet, Ramesh Raskar, giver et folkeligt indblik i teknologien i en video, der er at finde i onlinedatabasen Ted Talk, som bringer oplæg fra berømte forskere.
Ramesh Raskar forklarer, at alle fotografier er skabt af indfanget lys, som i dette tilfælde bliver frembragt af en titanium-safir-laser. Laseren udsender lyspulser, som hver især har en varighed på 50 femtosekunder - et femtosekund er 0,000 000 000 000 001 sekund.
Laseren affyrer lyspulser mod en væg, der befinder sig bag de objekter, man gerne vil tage et billede af. Væggen fungerer som et spejl, der reflekterer og spreder det indkommende lys, så det bevæger sig fremad i retning af de skjulte genstande.
Det spredte lys består af partikler, såkaldte fotoner, som vil ramme de skjulte genstandes overflade forskellige steder. Da overfladen af et tredimensionalt objekt har krumninger og nogle steder er glat og andre steder ru, vil de enkelte fotoner blive reflekteret på vidt forskellig måde afhængig af, hvor på overfladen, de rammer. Lysets mange fotoner vil derfor forfølge forskellige spor og ikke nå samtidigt hen til kameraet, der er placeret ved siden af laseren.
Fotonernes ankomsttid sladrer om objekterne
Kameraet ved præcis, hvornår fotonerne er udsendt af laseren og holder nøje styr på, hvornår hver enkelt foton når tilbage til kameraet. Ved at analysere ankomsttidspunkterne, kan kameraet vride en masse information om de skjulte objekter ud af fotonerne.
\ Fakta
Laseren skyder pulser ud med en frekvens på 75 hertz og med en bølgelængde på 795 nanometer. Hver puls varer 50 femtosekunder. Kameraet bestemmer ankomsttiden med en nøjagtighed på 2 picosekunder. I løbet af 100 millisekunder opsamler kameraet målinger fra 7,5 million laserpulser.
Nogle fotoner ankommer altså tidligt mens andre ankommer sent, og det er denne ’tidsopløsning’, der er nøglen til at kunne danne et billede af objekternes skjulte geometri. For at skabe ét billede, ændres kameraets position 60 gange – det giver mange forskellige perspektiver på den skjulte scene.
»Finten i den nye teknologi er, at kameraet holder nøje regnskab med, hvornår en foton sendes af sted, og hvornår den kommer tilbage til kameraet igen. Denne information bliver efterfølgende analyseret og afkodet af en særlig form for computeralgoritme, der bruger oplysningerne til at konstruere et billede af de skjulte objekter,« siger Ramesh Raskar (link til Ted Talk).
Svaghed bliver til en styrke
Det nye kamera er den gamle kamerateknologi voldsomt overlegen, da et normalt kamera kan kun se objekter, der er lige foran det. Lys, som kommer fra andre retninger end kameraets synslinje, er for diffust til at kunne give brugbar information, fordi det er blevet spredt et utal af gange, før det når frem.
»De fleste ultrahurtige billedteknologier har til formål at fjerne virkningerne af lysspredning, typisk ved at fokusere på de første fotoner, som når frem til sensoren. Den nye teknologi udmærker sig ved, at den rent faktisk udnytter det spredte lys til at skabe et billede,« forklarer Ramesh Raskar.
Dansk forsker ser store muligheder
På DTU Fotonik arbejder forskere med lignende teknologier, som lektor Peter Uhd Jepsen ser store perspektiver i.
»Den ny teknik giver et 3D-billede af et skjult objekt. Et almindeligt kamera giver et 2D-billede af et objekt, som skal være frit tilgængeligt for kameraet. Dette er en væsentlig forskel, som giver mulighed for at se ind i små krinkelkroge, for eksempel i forbindelse med kvalitetssikring i industrien, hvor man af forskellige årsager ikke må berøre den genstand, der skal undersøges,« skriver Peter Uhd Jepsen i en mail.
3D-vinklen synes han er interessant, fordi kameraet entydigt fortæller hvilken placering, objektet har i rummet. Et almindeligt kamera kan ikke nemt se forskel på et stort objekt, som er langt væk, og et lille objekt tæt på.
»Denne effekt ved almindelige kameraer bruges ret tit til at lave sjove fotos af folk, der støtter det skæve tårn i Pisa eller Eiffeltårnet i Paris,« skriver han.
Militæret vil kunne få glæde af det
Peter Uhd Jepsen spår, at teknikken vil have en fremtid i overvågning i militær og hos politi. Han mener, det er en stor fordel, at forskerne bruger det spredte lys fra f.eks. en væg til at 'se' med, da det giver mulighed for at bruge teknikken i felten, uden at det bliver opdaget af en eventuel modpart.
\ Fakta
Systemet er indrettet, så laserpulsen kan ramme 60 forskellige punkter på væggen, så lyset danner forskellige spredningsmønstre.
»Hvis man skal være kritisk, så kan man sige, at teknikken stadig kræver adgang til det, som man vil se på - forskerne reflekterer lys, svarende til en blitz, fra en væg som så rammer objektet og reflekteres tilbage via væggen til kameraet. Så man kan sige, at de bruger væggen som et spejl, og så er det måske ikke helt så mystisk, at de kan se om hjørner,« pointerer han.
En anden ulempe ved teknologien er, at det lige er ret omstændeligt at optage billederne, men han forventer, at problemet vil blive løst, i takt med, at den kommercielle interesse sætter ind.
Dansk projekt skal granske kunstgenstande
Peter Uhd Jepsen gør opmærksom på, at der allerede findes en almindeligt udbredt teknik, der fungerer nogenlunde på samme måde. Teknikken kaldes "Optical Coherence Tomography" eller OCT, som rutinemæssigt bruges af læger i medicinsk øjemed, primært til undersøgelse af den indre struktur i øjets nethinde (retina).
Denne teknik baserer sig også på, at en kort lyspuls sendes ind i øjet, hvorefter de små ekkoer fra forskellige lag i øjet måles. Jo senere disse måles, jo dybere lag har reflekteret lyset.
»På DTU Fotonik arbejder vi med denne OCT-teknik, og vi anvender en eksotisk type ultrakorte radar-pulser til at se den indre 3D-struktur af forskellige materialer.«
»Her til efteråret starter vi et ph.d.-projekt i samarbejde med Nationalmuseet, hvor vi skal kigge ind i forskellige kunstgenstande og arkæologiske fund, for eksempel for at finde ud af, om der findes skjulte hulrum med hemmelige objekter, eller om der findes gamle, overmalede billeder under nuværende, synlige malerier. Den teknik, vi kommer til at bruge, kan kigge ind i tingene, uden at have brug for en åbning, eller ved at belyse bagfra ved hjælp af en væg eller et spejl,« skriver han.
Se og hør hele den fascinerende Ted Talk med Ramesh Raskar
