Bell Labs vindt lensloze camera uit

De traditionele beeldvormingsmethode, die minstens 150 jaar oud is, vertrouwt op een lens om een ​​beeld te creëren en een apparaat om fotonen op te nemen, zoals een reeks pixels, een lichtgevoelige film of zelfs een netvlies.

Maar een dramatische revolutie die momenteel de wereld van de beeldvorming stormenderhand verovert, betekent dat dit snel zou kunnen veranderen.

Deze revolutie is gebaseerd op een techniek die compressieve waarneming wordt genoemd en die is gebaseerd op het idee dat veel gebruikelijke metingen een enorme redundantie hebben. Dat betekent dat het mogelijk is om dezelfde gegevens te verkrijgen met slechts een fractie van zorgvuldig gekozen metingen.

De truc is natuurlijk om te weten welke afmetingen je moet nemen en hoe je ze weer in elkaar zet. Verschillende teams hebben enthousiast met dit idee geëxperimenteerd. In januari keken we bijvoorbeeld naar een groep die op deze manier 3D-beelden heeft gemaakt met een enkele pixel.

Tegenwoordig wint deze revolutie aan snelheid omdat Gang Huang en vrienden van Bell Labs in New Jersey zeggen dat ze compressieve detectie hebben gebruikt om een ​​camera te bouwen die geen lens nodig heeft en slechts een enkele detectiepixel gebruikt om foto's te maken. Bovendien zijn de beelden van deze camera nooit onscherp.

Het nieuwe apparaat is eenvoudig van aard. De architectuur bestaat uit twee componenten, een apertuurconstructie en een sensor. Er wordt geen lens gebruikt, zeggen Huang en co. Het bestaat uit een LCD-paneel dat fungeert als een reeks openingen die elk licht doorlaten en een enkele sensor die drie kleuren licht kan detecteren.

Elke opening in de LCD-array is afzonderlijk adresseerbaar en kan dus open zijn om licht door te laten of gesloten zijn. Een belangrijk aspect van dit soort beeldvorming is dat de reeks open en gesloten openingen willekeurig moet zijn.

Het proces van het maken van een afbeelding is eenvoudig. Het begint met de sensor die het licht opneemt van de scène die door een willekeurige reeks openingen in het LCD-paneel is gegaan. Het registreert dan het licht van een andere willekeurige reeks en dan nog een, enzovoort.

Hoewel schijnbaar willekeurig, is elk van deze snapshots gecorreleerd omdat ze dezelfde scène op een andere manier opnemen. En dit is de sleutel die het team gebruikt om een ​​afbeelding weer in elkaar te zetten. Het proces van compressieve waarneming analyseert de gegevens, op zoek naar deze correlatie die het vervolgens gebruikt om het beeld opnieuw te creëren.

Het is duidelijk dat hoe meer snapshots er worden gemaakt, hoe beter het beeld zal zijn. Maar het is mogelijk om een ​​redelijk goede afbeelding te maken met slechts een klein deel van de gegevens die voor een conventionele afbeelding nodig zijn.

Het team van Bell Labs nam bijvoorbeeld de afbeelding van de boeken (hierboven) met slechts een kwart van de gegevens die ze hadden kunnen vastleggen.

Hoe minder details er in de scène zijn, hoe minder gegevens er nodig zijn om deze te reconstrueren.

Deze revolutionaire lensloze camera heeft een aantal voordelen ten opzichte van een conventionele camera. Ten eerste is er de kleine hoeveelheid gegevens die nodig is om afbeeldingen te maken. Zonder lens hebben deze beelden geen last van de aberraties en focusproblemen die met lenzen gepaard gaan. De scène is volledig in focus en de resolutie van het beeld hangt af van de grootte en het aantal openingen en de puntachtige aard van de lichtsensor.

Door twee sensoren achter dezelfde diafragma-array te gebruiken, is het mogelijk om tegelijkertijd twee verschillende afbeeldingen van de scène te maken. Meerdere sensoren produceren inderdaad meerdere beelden.

Bovendien is het apparaat eenvoudig en goedkoop. Huang en vrienden bouwden hun prototype met behulp van goedkope kant-en-klare componenten waar iedereen toegang toe zou hebben.

Het beste van alles is dat dezelfde aanpak werkt voor andere golflengten van licht, zoals infrarood en millimetergolven. Het zou dus mogelijk moeten zijn om ook voor deze golflengten relatief goedkope camera's te maken.

Het nadeel, althans voorlopig, is dat het tijd kost om de gegevens voor elke afbeelding te verkrijgen. De camera maakt dus alleen beelden van stilstaande scènes.

Maar zelfs dat is handig voor bewaking, omdat het mogelijk is om opeenvolgende beelden van dezelfde scène te vergelijken om dingen te bepalen die zijn veranderd of om de snelheid van bewegende objecten te berekenen.

Dat is indrukwekkend werk dat waarschijnlijk verstrekkende gevolgen zal hebben voor de manier waarop we de wereld om ons heen vastleggen. Verwacht in de nabije toekomst veel meer te horen over compressieve beeldvorming, of spookbeeldvorming zoals het soms wordt genoemd.

Het is ook interessant om te zien hoe Bell Labs zijn banden weer raakt. Dit is een organisatie met een eerbiedwaardige geschiedenis maar een tumultueus recent verleden. Met dergelijke vorderingen is er altijd een kans dat het een deel van zijn vroegere glorie kan heroveren.

Referentie: arxiv.org/abs/1305.7181 : Lensloze beeldvorming door compressieve waarneming

zich verstoppen