Technologia

Jak znaleźć to, czego nie widać?

Ostatnimi czasy naukowcom udało się opracować nową technikę pozwalającą na stwarzanie obrazów ukrytych przedmiotów. Istnieje duże prawdopodobieństw, że w przyszłości metoda ta umożliwi pilotom samolotów na swobodny przelot przez zamglone niebo, a lekarzom na bardziej precyzyjny wgląd we wnętrze ludzkiego ciała bez konieczności przeprowadzania dotkliwych operacji.

Technika ta została opracowana przez zespół inżynierów z uniwersytetu Princeton. Ta zdumiewająca metoda opiera się na zaskakującej umiejętności tworzenia zarysu obiektów przez promienie światła. Co ciekawe, promienie takie w zwykłych warunkach mają właściwości maskujące obiekty. Dzieje się tak w przypadku „działania” dużego zachmurzenia, ludzkich tkanek czy mętnej wody.

W trakcie przeprowadzanych przez grupę naukowców eksperymentów, udało się przywrócić niewidoczny obraz do postaci jasnego wzoru złożonego z liczb i linii. Namiastka tego zadziwiającego procesu była do tej pory używana w celu polepszenia jakości obrazu telewizyjnego, którego fale były zakłócone przez jakiś zewnętrzny czynnik.
„Zazwyczaj hałas jest uznawany za coś, co przeszkadza,” wyjaśnia Jason Fleischer, profesor nadzwyczajny z wydziału inżynierii elektrycznej uniwersytetu w Princeton. „Lecz niekiedy hałas i sygnał mogą w pewien sposób współpracować. Co więcej, czasami energia pochodząca z hałasu może prowadzić do wzmocnienia sygnału. W przypadku słabych sygnałów, takich jak te pochodzące od odległych lub zaciemnionych obiektów, dodanie hałasu może w znacznym stopniu zwiększyć jakość obrazu ich,” dodaje uczony.

Profesor Fleischer twierdzi, że zdolność polepszania jakości sygnału w ten sposób może w przyszłości przysłużyć się radykalnemu udoskonaleniu szerokiego wachlarza technologii sygnałowych. Za przykład może w tym przypadku posłużyć sonogram, którego lekarz używa w celu uzyskania obrazu płodu ciężarnej kobiety lub system radarowy, z którego korzysta pilot, by móc nawigować targany turbulencjami samolot poprzez wzburzone niebo. Metoda ta ma także potencjał, by w dalszej przyszłości została zastosowana w urządzeniach takich, jak specjalne gogle, dzięki którym można uzyskać lepszy widok nocą, podwodne urządzenia pomiarowe (na przykład takie, przy pomocy których sprawdza się stan podpór pod fundamentami mostów, a nawet w steganografii – metodzie maskowania sygnałów dla celów bezpieczeństwa.
Wyniki przeprowadzonych przez naukowców z uniwersytetu Princeton zostały opublikowane w marcowym numerze internetowego magazynu branżowego Nature Photonics.

W trakcie eksperymentu, Profesor Fleisher wraz ze współautorem badań Dymitirm Dylovem, studentem piszącym doktorat na wydziale inżynierii elektrycznej na uniwersytecie Princeton, przepuścili wiązkę lasera przez niewielki kawałek szkła, na którym wygrawerowane zostały uprzednio różne liczby i linie podobne do tych, których używa się do tworzenia zapisów w trakcie badania wzroku. Okazało się, że promień niósł za sobą wizerunek liczb i linii. Gdy wiązka docierała do odbiornika podłączonego do monitora wideo, na ekranie ukazywał się dość wyraźny obraz.

W następnej kolejności naukowcy umieszczali półprzeźroczysty kawałek plastiku przypominający celofanową taśmę pomiędzy szybą, a odbiornikiem. Podobny do taśmy materiał rozszczepiał wiązkę światła laserowego zanim ta docierała do odbiornika, dzięki czemu sygnał wizualny stawał się tak „głośny”, że wyświetlone liczby i linie stawały się na monitorze nie do rozszyfrowania – działo się to w sposób podobny do tego, w jaki dym lub mgła mogą zakłócać człowiekowi widziany obraz.
Niezwykle istotna część eksperymentu nastąpiła w momencie, gdy Fleischer i Dylov umieści na drodze lasera jeszcze jedną przeszkodę. Zaraz przed frontem odbiornika umiejscowiony został kryształ SBN (kryształ o właściwościach piroelektrycznych; ang. strontium barium niobate). Substancja ta należy do kategorii substancji znanych jako „nieliniowe”, które mają zdolność zmiany „zachowania” światła na wiele różnych sposobów. W tym przypadku, nieliniowy kryształ przemieszał różne części obrazu, co sprawiło, że sygnał i hałas zaczęły wzajemnie na siebie reagować.

Poprzez wyregulowanie napięcia elektrycznego w kawałku kryształu, badacze byli w stanie uzyskać bardziej klarowny obraz na monitorze podłączonym do odbiornika. Kryształ SBN zdołał skupić promienie lasera rozszczepione przez półprzeźroczysty plastik. Następnie naukowcy wykorzystali tę energię, by ujednolicić słaby obraz linii i liczb.
„Posłużyliśmy się hałasem, w celu wzmocnienia sygnału,” tłumaczy Dylov. „To tak, jakby wziąć niewyraźną fotografię człowieka, a następnie rozjaśnić jego sylwetkę z jednoczesnym pociemnieniem tła – sylwetka wydaje się wtedy dużo bardziej wyraźna. Kontrast sprawia, że człowiek wyróżnia się wtedy na tle otoczenia,” dodaje naukowiec.
Technika znana jako „rezonans stochastyczny” działa jedynie, gdy dostarczona jest określona ilość hałasu, ponieważ zbyt duża jego moc może zacząć zakłócać sygnał. Badacze specjalizujący się w przeróżnych dziedzinach nauki zaobserwowali to już dawno temu. Umysły zajmujące się poczynając od neurologii na energetyce kończąc nigdy jednak nie użyły tej metody w celu wyklarowania obrazu.

Opierając się na wynikach przeprowadzonych przez siebie eksperymentów, Fleischer i Dylov rozwinęli innowacyjną teorię na temat tego, w jaki sposób hałaśliwe sygnały poruszają się przez nieliniowe materiały. Łączy to w sobie przeróżne idee ze świata fizyki statystycznej, teorii informacji oraz optyki.
Przeprowadzenie badań było możliwe dzięki funduszom, które uczeni uzyskali od  amerykańskich National Science Foundation, ministerstwa energii oraz władz sił powietrznych Stanów Zjednoczonych.
Wysnuta przez Fleischera i Dylova  teoria dostarcza wielu nowych spojrzeń na punkt wyjścia ogólnej komunikacji nieliniowej, która może zostać zastosowana na wiele sposobów w najróżniejszych technologiach. Para badaczy ma zamiar przeprowadzić kolejne badania, w trakcie których zastosowane mają zostać inne technologie opierające się na wysyłaniu sygnałów. Ma to doprowadzić do jeszcze większego wyklarowania generowanego obrazu. Ich koncepcja ma także zostać zastosowana w medycynie – biomedyczne urządzenia wytwarzające obrazy (na przykład te, oparte na działaniu dźwięków i ultradźwięków, a nie światła) mają być dzięki temu znacznie ulepszone.

Redaktor

Dodaj komentarz

Kliknij, aby opublikować komentarz