Även om figuren i rött ligger gömd, utanför den direkta siktlinjen för figuren i grönt, förråder strålning som naturligt sänds ut av den dolda figuren vid submillimetervåglängder dess närvaro. Vid dessa långa våglängder fungerar många typer av väggar som partiella speglar och reflekterar ljuset till den gröna figuren. Kredit:NIST
Ett nytt sätt att avbilda dolda föremål, utarbetat av en forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och hans kollegor, kan ta allt det roliga ur kurragömma, men kan också hjälpa till att rädda liv.
Att avbilda scener som ligger utanför en observatörs direkta siktlinje kan avsevärt förbättra sök- och räddningsuppdrag, som att hitta ett förlorat barn i en övergiven fabrik, såväl som militära och polisiära övervakningsoperationer, som att avslöja en gömd terrorist eller fiendefäste. Möjligheten att se runt hörn och rekonstruera en fullständig bild av ett dolt föremål eller hinder i realtid kan också en dag förbättra robotsikten och säkerheten och noggrannheten hos självkörande bilar. (För närvarande kan inte prototypmetoden skapa en bild omedelbart.)
De flesta konventionella metoder som används för att avbilda objekt bakom ett hinder använder en extern ljuskälla – till exempel ultrakorta pulser av synligt eller infrarött laserljus. Ljuskällan lyser initialt upp en vägg som sprider ljuset i det dolda området. När ljuset träffar ett dolt föremål, sprider föremålet tillbaka en del av ljuset tillbaka till väggen där det kan upptäckas.
Att avbilda dolda föremål med endast synligt och infrarött ljus är dock en utmaning. Vid de relativt korta våglängderna framstår en typisk vägg – oavsett hur jämn den är för mänsklig beröring – som en grov yta och sprider inkommande ljus i alla riktningar. Det avslöjar därför mindre information om objekt än ljus som reflekteras från en slät eller spegelvänd yta och kräver sofistikerade algoritmer och betydande beräkningstid för att skapa även en halvskarp bild. Dessutom kan belysningen tipsa motståndare om att de är under övervakning.
Andra metoder, som inte kräver en ljuskälla, analyserar skuggor som kastas av ett gömt föremål på en vägg, eller upptäcker värmen (infraröd strålning) som naturligt avges av den dolda kroppen och sprids diffust i synen. Men dessa tillvägagångssätt kräver också omfattande beräkningstid och analys. "En bra algoritm och mycket datorkraft kan extrahera en bild, men inte en bra sådan", säger NIST-fysikern Erich Grossman.
Grossman och hans kollegor baserade sitt nya tillvägagångssätt på att detektera de små mängderna av mycket längre våglängdsstrålning - "submillimeterområdet" för ljusspektrumet som ligger strax bortom mikrovågsstrålning och som människor och föremål också naturligt avger. Vid dessa långa, osynliga våglängder, som sträcker sig från 300 mikrometer upp till 1 millimeter, verkar väggar gjorda av en mängd olika material relativt släta och fungerar som partiella speglar, och reflekterar snarare än diffust spridda in i synen strålning från ett dolt föremål.
Upplägget för experimentet i Erich Grossmans hem, där det dolda föremålet (Grossman själv) satt precis bakom en tilltäppande eller döljande vägg, utom direkt syn på detektorer. "Vägg under test" antyder de olika typerna av väggar, inklusive keramiska plattor och plywood, som teamet undersökte för att avgöra vilka som var bäst på att reflektera submillimeterstrålning. Kredit:E. Grossman/NIST
För att skapa en bild måste den reflekterade strålningen riktas och fokuseras. Till skillnad från synligt ljus kan submillimeterstrålning inte styras av glaslinser. Istället förlitade sig Grossman och hans kollegor på böjda speglar för att fokusera det osynliga ljuset.
Grossman och hans medarbetare vid University of Minnesota Twin Cities i Minneapolis experimenterade med sin prototyp och visade att de kunde konstruera bilder av föremål gömda bakom väggar på cirka 20 minuter.
Prototyptekniken använder toppmoderna indiumfosfidtransistorer, som förstärker submillimeterstrålning med lite brus över ett brett spektrum av våglängder. Metoden kräver inga komplexa algoritmer eller intensiv datoranalys. "Det som är coolt med den här metoden är dess enkelhet," sa Grossman. "Det finns ingen kvantmekanik, ingen relativitet, det finns inget kryogent eller något fancy - bara transistorer och en grundläggande dator och speglar," tillade han. Hela apparaten är tillräckligt liten för att få plats i en ryggsäck.
Med NIST-anläggningar stängda under kulmen av covid-19-pandemin använde Grossman sitt eget hem - och konverterade sovrummet till sin dotter, som hade åkt till college, till ett provisoriskt laboratorium. Grossman själv var kroppen gömd bakom en vägg.
Han testade väggar gjorda av en rad vanliga inomhusbyggnadsmaterial för att avgöra vilka som reflekterade tillräckligt med submillimeterstrålning för att bilda en bild, inklusive våta och torra väggskivor, plywood, träpaneler, omålat cinderblock och köksplattor i sten. Väggar som reflekterade minst 5 % av submillimeterstrålningen var bäst på att producera bilder av dolda kroppar. Dessa inkluderade torra väggskivor, träpaneler, vinylgolv, plywood, köksplattor i sten och fiberskivor med medeldensitet.
Med ett större utbud av detektorer och transistorer sa Grossman att metoden borde kunna avbilda dolda objekt i realtid. + Utforska vidare
