Лазерная видеосъемка объекта «за углом»

Секрет «съемки за углом» заключается в синхронизации быстротечных этапов. Ученые в камеру «ловят» микроскопические частички света (фотоны), которые приходят от объекта и создают его изображение на видеокамере. Фотоны сами по себе очень интересные частички, которые проявляют одновременно  и свойства волны и свойства частицы. С открытием фотона была пересмотрена классическая волновая теория света и начала интенсивно развиваться квантовая механика. Именно благодаря его открытию, мир получил новые приборы, которые работают с фотонами, мазер и лазер. Одной из основных частей видеокамеры является лазер, который посылает вспышки в пространство. Длительность каждой вспышки не превышает квадриллионную долю секунды, т.е. 1/10¹⁵ с.

 

Любые объекты способны отражать свет видимого и невидимого диапазонов. Поэтому, поток невидимого глазом излучения, который испускает лазер камеры быстротечного изображения, попадает на «зеркало», т.е. поверхность, способную отражать световую волну, отражается от него и проникает в пространство «за углом». На рисунке показан принцип действия лазерной видеосъемки объекта «за углом». Луч отражается от стенки и попадает на объект (в данном случае, на первом этаже «скрывалась» кошка, а на втором этаже находился человек). Также в качестве поверхностей для отражения луча, могут выступить любые плоскогранные предметы. Данную технологию разработчики назвали фемтофотографией.

 

 

Фотоны, вернувшиеся в камеру, позволяют смоделировать изображение участка, который находится в поле не прямой видимости, с достаточно высокой точностью. Возможности видеокамеры позволяют выполнить построение не только плоского, но и трехмерного снимка. Импульс от лазера (1-2) уходит, в данном случае, к двери и отражается от нее (2-3). Как известно из физики, угол падения луча, равен углу отражения. В комнате луч отражается от скрытого объекта, и возвращаются к двери (3-4), после чего происходит еще одно отражение и луч «отправляется» назад в камеру (4-1).

 

 

После этого, начинает работать быстродействующая электроника. Весь отражённый свет «по приходу» назад в камеру, дает только яркое пятно без особых деталей. За счет того, что импульс ультракороткий, решающим фактором является время. Свет не успевает пройти и миллиметр пути, как современная техника производит переключения в схеме, что дает возможность детальной обработки возвращённого света. Камера собирает далеко не все отраженные электроны. Какое-то время после «выстрела» импульса затвор камеры еще остается закрытым. «Умная электроника» ждет, пока вернутся фотоны «первичного отражения», т.е. те фотоны, которые отразились от ближних предметов. Эти фотоны не нужны для построения изображения, т.к. они его только «испортят».

Через короткий промежуток времени, в камеру возвращаются фотоны от «второго отражения», т.е. те, которые «побывали за углом». На рисунке изображены уровни отражения импульса. Камера, снабженная сверхскоростным затвором, и современная электроника, позволяют «поймать» в матрицу исключительно нужные фотоны.

 

Основными частями лазерной видеокамеры являются лазер (а), детектор времени (b), осциллограф (c). Датчик видеокамеры фиксирует направление, откуда прилетел фотон и точное время его попадания на матрицу. Для построения трехмерного изображения, необходимо выполнить обработку информации, «принесенной» фотонами. Для этого достаточно, чтобы лазер сделал от 10 вспышек с разных позиций.

 

 

Эту технологию можно использовать при спасательных работах, на пожарах, во время стихийных бедствий, при проведении военных операций. Например, через окна можно прозондировать внутренние помещения здания и получить изображения людей, которые не видны для наблюдателя с улицы, т.е пострадавших людей, лежащих на полу, или преступников, укрывающихся за стенами комнат.

 

 

К сожалению, в данный момент опытная установка может выявлять только сравнительно простые рисунки, скрытые за углом и ей далеко до восстановления сцен из реальной жизни. Ученые продолжают работу над алгоритмом расшифровки видеокамеры с тем, чтобы в будущем можно было получать более четкие картинки.

 

А пока, можно посмотреть видеофрагмент презентации фемтофотографии:

 

 

И хотя эта технология пока далека от коммерческого воплощения, но она открывает хорошие перспективы перед медиками, спасателями, водителями и представителями других профессий, для которых важно знать, «что творится за углом». Будем надеяться, что проект доработают в течение двух лет, и при этом хватит средств на его воплощение.