Detalles de una imagen de huella dactilar tomada desde una distancia de 1 metro por el prototipo SAVI desarrollado en las universidades de Rice y Northwestern. En la parte superior hay uno de los muchos patrones de motas capturados por un láser que se refleja en la imagen original. En el fondo, una impresión clara es el resultado de combinar docenas de imágenes de la huella dactilar tomadas desde ángulos ligeramente diferentes y procesadas por un programa de "apertura sintética". Crédito:Jason Holloway / Rice University
Una cámara única que puede capturar una imagen detallada con resolución de micrones desde la distancia utiliza un láser y técnicas que toman prestado de la holografía, microscopía y tiempo de viñeta al estilo "Matrix".
Un prototipo construido y probado por ingenieros de las universidades Rice y Northwestern lee un punto iluminado por un láser y captura el patrón de "motas" con un sensor de cámara. Los datos sin procesar de docenas de posiciones de cámara se envían a un programa de computadora que los interpreta y construye una imagen de alta resolución.
El sistema conocido como SAVI - para "Aberturas sintéticas para largo alcance, Imágenes visibles limitadas por subdifracción ":no se necesita una lente larga para tomar una fotografía de un objeto lejano. El prototipo solo funciona con fuentes de iluminación coherentes, como láseres, pero Ashok Veeraraghavan, un profesor asistente de Rice de ingeniería eléctrica e informática, dijo que es un paso hacia una matriz de cámaras SAVI para su uso en luz visible.
"Hoy dia, la tecnología se puede aplicar solo a la luz coherente (láser), ", dijo." Eso significa que no se pueden aplicar estas técnicas para tomar fotografías al aire libre y mejorar la resolución de las imágenes iluminadas por el sol, por el momento. Nuestra esperanza es que un día tal vez dentro de una década, tendremos esa habilidad ".
La tecnología es el tema de un documento de acceso abierto en Avances de la ciencia .
Los laboratorios dirigidos por Veeraraghavan en Rice y Oliver Cossairt en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern construyeron y probaron el dispositivo que compara patrones de interferencia entre múltiples imágenes moteadas. Al igual que la técnica utilizada para lograr el efecto especial "Matrix", las imágenes se toman desde ángulos ligeramente diferentes, pero con una cámara que se mueve entre tomas en lugar de muchas disparadas en secuencia.
El estudiante graduado de Rice University, Yicheng Wu, demuestra el prototipo SAVI, que es capaz de capturar detalles finos de un objeto a distancia, reemplazando eficazmente un teleobjetivo grande. La cámara prototipo está en una pista motorizada en primer plano a la izquierda, mientras que un láser a la derecha crea un patrón de motas en el objetivo, una huella digital. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Veeraraghavan explicó que las motas sirven como rayos de referencia y esencialmente reemplazan uno de los dos rayos utilizados para crear hologramas. Cuando un láser ilumina una superficie rugosa, el espectador ve motas con forma de grano en el punto. Esto se debe a que parte de la luz que regresa dispersada desde puntos en la superficie tiene que ir más lejos y desfasa la onda colectiva. La textura de una hoja de papel, o incluso una huella dactilar, es suficiente para causar el efecto.
Los investigadores aprovechan estas irregularidades de fase.
"El problema que estamos resolviendo es que, independientemente de la longitud de onda de luz que utilice, la resolución de la imagen, la característica más pequeña que puede resolver en una escena, depende de esta cantidad fundamental llamada límite de difracción, que escala linealmente con el tamaño de su apertura, "Dijo Veeraraghavan.
"Con una cámara tradicional, cuanto mayor sea el tamaño físico de la apertura, cuanto mejor sea la resolución, ", dijo." Si quieres una apertura de medio pie, es posible que necesite 30 superficies de vidrio para eliminar las aberraciones y crear un punto enfocado. Esto hace que su lente sea muy grande y voluminosa ".
La "apertura sintética" de SAVI evita el problema al reemplazar una lente larga con un programa de computadora que resuelve los datos de las manchas en una imagen. "Puede capturar patrones de interferencia desde una distancia considerable, "Veeraraghavan dijo." Qué tan lejos depende de qué tan fuerte es el láser y qué tan lejos puede iluminar ".
"Al trasladar la estimación y la corrección de aberraciones a la computación, podemos crear un dispositivo compacto que nos dé la misma superficie que la lente que queremos sin el tamaño, peso, volumen y costo, "dijo Cossairt, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en Northwestern.
Un esquema muestra el sistema SAVI de haz único desarrollado en las universidades Rice y Northwestern. El sistema emplea un solo haz, múltiples imágenes y software sofisticado para capturar imágenes detalladas a distancia. Crédito:Jason Holloway / Rice University
Autor principal Jason Holloway, un alumno de Rice que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia, sugirió que una serie de sensores económicos y lentes de plástico que cuestan unos pocos dólares cada uno pueden reemplazar algún día los teleobjetivos tradicionales que cuestan más de $ 100, 000. "Deberíamos poder capturar exactamente el mismo rendimiento, pero a un costo mucho menor, " él dijo.
Una matriz de este tipo eliminaría la necesidad de una cámara en movimiento y capturaría todos los datos a la vez, "o lo más cerca posible de eso, ", Dijo Cossairt." Queremos llevar esto a donde podamos hacer las cosas dinámicamente. Eso es lo que es realmente único:hay una vía hacia el tiempo real, captura de alta resolución utilizando este enfoque de apertura sintética ".
Cossairt comenzó a pensar en la idea cuando solicitó su Premio CAREER de la National Science Foundation (NSF). "Mas tarde, Ashok y yo nos interesamos en las técnicas de apertura sintética a través de algunos colegas nuestros en California que las estaban usando en microscopía ".
Veeraraghavan dijo que SAVI se apoya en el trabajo del Instituto de Tecnología de California y la Universidad de California, Berkeley, que desarrolló la técnica de pticografía de Fourier que permite a los microscopios resolver imágenes más allá de las limitaciones físicas de su óptica.
El avance del equipo de SAVI fue el descubrimiento de que podía colocar la fuente de luz en el mismo lado que la cámara en lugar de detrás del objetivo. como en microscopía de transmisión, Dijo Cossairt. Pasó tres meses en Rice para desarrollar el sistema con Holloway y otros en el laboratorio de Veeraraghavan.
"Empezamos haciendo una versión más grande de su microscopio, pero SAVI tiene desafíos técnicos adicionales. Resolver esos es de lo que trata este artículo, "Dijo Veeraraghavan.
