Un team di ingegneri dell’Università di Rice e dell’Università del Maryland ha sviluppato una tecnologia video in grado di correggere la diffusione della luce in tempo reale, permettendo una visualizzazione più chiara attraverso nebbia, fumo, tessuti e altre superfici che riflettono la luce diffusa e oscurano gli oggetti alla vista. Questa tecnologia, chiamata NeuWS, potrebbe essere utilizzata per creare telecamere in grado di vedere attraverso vari ostacoli.
La sfida della diffusione della luce
Il problema della diffusione della luce
Secondo Ashok Veeraraghavan, co-autore dello studio pubblicato su Science Advances, la diffusione della luce è il “problema sacro graal” nell’imaging ottico. La luce, che ha una lunghezza d’onda inferiore e quindi offre una risoluzione spaziale molto migliore, diventa inutilizzabile in molti scenari a causa della diffusione. Se si potessero annullare gli effetti della diffusione, l’imaging potrebbe andare molto più lontano.
La tecnologia NeuWS
Il laboratorio di Veeraraghavan ha collaborato con il gruppo di ricerca del co-autore Christopher Metzler per creare NeuWS, un acronimo di “neural wavefront shaping”, la tecnica fondamentale della tecnologia. NeuWS è in grado di correggere l’interferenza dei mezzi di diffusione della luce tra la telecamera e l’oggetto che viene ripreso.
Le potenziali applicazioni di NeuWS
Superare la diffusione della luce
Veeraraghavan afferma che NeuWS potrebbe potenzialmente essere utilizzata per superare la diffusione della luce in vari scenari. Ad esempio, potrebbe essere utilizzata per migliorare l’imaging in condizioni di maltempo per i veicoli autonomi, per l’imaging di tessuti profondi in vivo in biologia, o per la fotografia subacquea. In tutti questi casi, il vero problema tecnico è la diffusione della luce.
Il funzionamento di NeuWS
NeuWS si basa sul principio che le onde luminose sono quantità matematiche complesse con due proprietà chiave che possono essere calcolate per qualsiasi posizione data. La prima è l’ampiezza, ovvero la quantità di energia che l’onda trasporta nella posizione, e la seconda è la fase, ovvero lo stato di oscillazione dell’onda nella posizione. Metzler e Veeraraghavan affermano che misurare la fase è fondamentale per superare la diffusione, ma è impraticabile misurarla direttamente a causa dell’alta frequenza della luce ottica.
La misurazione delle “wavefronts”
Per superare questo problema, gli ingegneri misurano la luce in arrivo come “wavefronts”, singole misurazioni che contengono sia le informazioni di fase che di intensità, e utilizzano un elaborazione backend per decifrare rapidamente le informazioni di fase da diverse centinaia di misurazioni di wavefront al secondo. Questo permette di catturare video di oggetti in movimento che sono oscurati dalla vista da mezzi di diffusione intervenienti.
La prova del principio
Nei loro esperimenti, gli ingegneri hanno dimostrato che NeuWS può correggere la diffusione della luce e produrre un video chiaro di figure in movimento. Ad esempio, hanno utilizzato una diapositiva di microscopio contenente un’immagine stampata di un gufo o una tartaruga, che veniva girata su un mandrino e filmata da una telecamera sovrastante. Tra la telecamera e la diapositiva target venivano posti mezzi di diffusione della luce, e i ricercatori misuravano la capacità di NeuWS di correggere la diffusione della luce.
Il futuro di NeuWS
Secondo Veeraraghavan, c’è ancora molto lavoro da fare prima di poter costruire prototipi in ciascuno dei domini di applicazione, ma l’approccio dimostrato potrebbe attraversarli. Inoltre, i ricercatori stanno sviluppando algoritmi che permettono di stimare continuamente sia la diffusione che la scena, utilizzando una macchina matematica chiamata rappresentazione neurale che permette di essere sia efficiente che veloce.