Kaip pamatyti daiktus, kurie yra už kokios nors kliūties? Vienas būdas būtų rentgeno spinduliai, tačiau tai sudėtingas metodas, reikalaujantis specialios įrangos, ir gana pavojingas. Rentgeno spinduliai – tai didelės energijos elektromagnetinės bangos, galinčios įsiskverbti į medžiagas. Kitas būdas daug paprastesnis – panaudoti veidrodį. Tačiau tai ne visuomet įmanoma.
Edinburgo universiteto mokslininkų grupė pasiūlė būdą paversti veidrodžiu bet kokį paviršių, net atspindintį labai mažai šviesos ir ją išsklaidantį.
Jie sukūrė ypač jautrų jutiklį bei specialų duomenų apdorojimo būdą, kuris „virtualiu veidrodžiu“ paverčia sienas ar grindis ir leidžia aptikti judančius objektus, kurie nėra tiesioginio matomumo zonoje.
Veidrodis atspindi šviesą tokiu pat kampu, kokiu ji krito į jo paviršių, todėl akis mato aiškų objekto vaizdą. Tačiau neatspindintis paviršius išsklaido šviesą visomis kryptimis, ir atspindžio vaizdas nesukuriamas.
Edinburgo universiteto mokslininkai pamėgino surasti būdą išgauti informaciją apie objektą net iš jo atsitiktiniai išsklaidytos šviesos. Jų metodas, paskelbtas žurnale Nature Photonics, remiasi lazerine atstumo nustatymo technologija, kuomet matuojamas laikas, kiek užtrunka šviesos impulsui nukeliauti iki objekto, atsimušti ir grįžti atgal į detektorių.
Iš esmės tai gana paprastas matavimas, bet sudėtingumas slypi detalėse.
https://youtu.be/Pi7iCUSXctY
Lazerio impulsas krinta į grindis ir išsklaido visomis kryptimis. Nedidelė šviesos dalis krinta ir į už kampo esantį objektą, yra išsklaidoma, ir jos dalis vėl krinta į grindis – virtualų veidrodį – į tą vietą, kur yra šviečiama lazeriu.
Kadangi šviesos greitis yra pastovus, matuojant laiko intervalą tarp lazerio impulso pradžios ir laiko, kada išsklaidyta šviesa pasiekiaį grindis, galima apskaičiuoti objekto padėtį.
Tačiau čia prasideda sunkumai. Laiko matavimai turi būti itin tikslūs, maždaug 500 milijardosios sekundės dalies (5×10-7 s, arba 500 nanosekundžių), o registruojama šviesa turėtų būti beveik fotonų jautrumu.
Norint įveikti šias kliūtis, reikia naudoti pakankamai sudėtingą lazerio ir detektoriaus technologiją. Lazerio impulsai turi būti labai trumpi, tik dešimties femtosekundžių ilgio, o kameros matrica – specialios SPAD (single-pixel avalanche diode array), kuomet ir vienas fotonas matricos pikselyje sukelia elektronų „griūtį“, kuri ir yra užfiksuojama.
Problemos čia dar nesibaigia: išsklaidytas šviesos srautas grindis, „virtualų veidrodį“ pasiekia ir iš visų kitų netoli esančių objektų. Todėl reikia atskirti šviesą, ateinančią iš reikiamo objekto, nuo foninio triukšmo, kuris gali būti ir smarkiai intensyvesnis už signalą.
Tai pasiekiama pasinaudojant tuo, kad stebimas objektas už kampo juda, o kiti – ne. Judantis objektas kuria laike kintantį signalą, kuris gali būti filtruojamas iš pastovaus fono signalo.
https://youtu.be/SmRQvOBqKeY
Sukurtas tokios kameros prototipas leido išmatuoti objekto poziciją kelių centimetrų tikslumu, o matuojant kas kelias sekundes – apskaičiuoti judančio objekto greitį ir sekti judančius objektus realiu laiku.
Kol kas įmanoma surasti objektus, esančius tik iki 60 cm atstumu nuo „virtualaus veidrodžio“ – grindų ploto, į kurį šviečiama lazeriu, bet, mokslininkų vertinimu, šį atstumą bus galima padidinti iki kelių dešimčių metrų, taip pat ir identifikuoti objekto formą.
Nors paskelbtas metodas kol kas ir stokoja jautrumo, tyrimo autoriai pažymi, kad ši technologija gali turėti įdomių perspektyvų ateityje, ypač tokiose srityse, kaip automobilių saugos sistemos – aptinkant kitas transporto priemones, artėjančias prie sankryžų, ar vykdant gelbėjimo operacijas.
Daugiau informacijos: Genevieve Gariepy et al. Detection and tracking of moving objects hidden from view, Nature Photonics (2015). DOI: 10.1038/nphoton.2015.234