Поделиться
Ученые из Японии создали камеру, которая способна снимать голограммы внутренних органов
Японцы изобрели камеру, способную снимать голограммы живых органов в реальном времени. Новое устройство может записывать трехмерные фильмы с помощью одного пикселя. Более того, эта технология позволяет получать изображения за пределами видимого спектра и даже через ткани. Этот подход сочетает в себе голографические методы записи с высокоскоростными проекциями. Таким образом, разработка ученых из Японии открывает дверь голографической видеомикроскопии.
Новое устройство
Исследователи из Японии изобрели камеру, способную снимать голограммы внутренних органов живых организмов в реальном времени, работа была опубликована на EurekAlert. Технология сочетает в себе голографические методы записи с высокоскоростными проекциями.
В разработке исследователи из Университета Кобе в Японии представили новаторскую систему камер, способную снимать трехмерные видео с помощью однопиксельного датчика. Этот подход сочетает в себе последние голографические методы записи с высокоскоростными проекциями, обеспечивая беспрецедентные возможности. Новая технология включает возможность визуализировать объекты, которые скрыты рассеивающей средой или даже невидимыми длинами волн света.
Голограммы всех форм и размеров встречаются в фильмах и видеоиграх, но в реальности таких голограмм пока нет, но есть имитирующие их технологии, которые уже используются в медицине, связи и концертах. Некоторые же голограммы в 2025 г. можно даже потрогать. Созданная же японскими учеными камера, обещает малоинвазивное наблюдение за внутренними органами людей и другие применения, где нужна микро- и 3D-визуализация.
Принцип голографической микроскопии заключается в том, что свет, проходя сквозь образец, меняет не только свою интенсивность, но и фазу. Совместив такой лазерный луч с референтным, можно получить трехмерную голограмму. Потенциально, голограмма содержит гораздо больше информации об объекте, чем плоское изображение в традиционной микроскопии. Однако, для ее использования требуется предварительная расшифровка.
Объединение двух методов
В 2025 г. голографические изображения без применения лазеров (когерентного света) создаются с использованием двух методов: Fresnel Incoherent Correlation Holography (FINCH) для видимого спектра и Optical Scanning Holography (OSH) для диапазонов за пределами видимого света. FINCH позволяет записывать голограммы движущихся объектов, тогда как OSH подходит только для неподвижных объектов, но работает в ультрафиолетовом, инфракрасном и терагерцевом диапазонах, где отсутствуют подходящие матрицы для регистрации изображений.
Методы FINCH и OSH используют отраженный, рассеянный естественный свет или люминесценцию, что упрощает и удешевляет их применение по сравнению с лазерными голографическими системами. Каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны, но японские ученые разработали однопиксельную платформу, объединяющую преимущества обоих подходов. Эта технология позволяет снимать голографические видео даже через светорассеивающие препятствия, открывая новые возможности для практического использования уже в ближайшем будущем.
Модернизированная установка OSH использует сканирующую зеркальную систему, которая проецирует на объект специальные узоры. Эти узоры, за счет интерференции, позволяют воссоздавать объемное изображение. Отраженный свет улавливается однопиксельным датчиком и обрабатывается компьютером, а в некоторых случаях — с применением искусственного интеллекта (ИИ) для повышения качества реконструкции.
Показатели на тестах
Модернизированная система OSH значительно увеличила частоту подсветки объекта с 60 Гц в традиционных сканерах до 22 кГц, что позволило приблизиться к созданию динамических голографических изображений. В эксперименте камера обеспечивала скорость съемки 1 кадр в секунду (к/с), но ученые планируют довести ее до 30 к/с для создания полноценного видео, как в кино. Эта разработка открывает перспективы для голографической микроскопии, упрощая исследования в биологии и медицине.
Улучшение установки
Дальнейшее развитие будет иметь важное значение для совершенствования возможностей системы. Со слов исследователей, увеличение количества точек выборки и улучшение качества изображения являются ключевыми проблемами, которые необходимо решить. Для решения этих проблем исследовательская группа сосредоточилась на оптимизации шаблонов, проецируемых на образцы, и внедрении алгоритмов глубокого обучения, предназначенных для преобразования необработанных данных в связные изображения, пригодные для анализа.
Будущая реальность
Цифровая голография – способ регистрации 3D-информации с помощью цифровых камер. Сегодня она уже имеет широкое практическое применение, а в перспективе, как уверены ученые, будет незаменима в целом ряде областей, от медицины до астрономии.
Широкое развитие цифровой голографии началось сравнительно недавно, что связано с появлением качественных цифровых камер, однако уже получен целый ряд впечатляющих результатов. Со слов доцента Национального исследовательского ядерного университета (МИФИ) Павла Черемхина, при помощи цифровой голографии можно создавать реальную трехмерную визуализацию объектов и сцен. При этом не требуется специальных очков для наблюдения сцен или специального позиционирования наблюдателя. На этом принципе сейчас активно разрабатываются 3D-дисплеи, позволяющие визуализировать качественные изображения. Как уверены ученые, приближается момент, когда цветные изображения с голограмм будут сходны по качеству цветопередачи с фотографиями, воспроизводя при этом трехмерный образ объекта.
Со слов ученых из МИФИ, одно из текущих достижений – связь в 5G с использованием голографических принципов для создания образа собеседника. Специалисты считают, что уже через несколько лет возможен переход этой технологии в формат коммерческой услуги.
Крайне перспективным направлением является 3D-печать при помощи голограмм. Голографическое изображение детали разбивается сечениями на проекции и затем под программным контролем осуществляется быстрая послойная печать каждой проекции.
Активно развиваются направления цифровой голографии, применимые в научных и прикладных исследованиях: голографическая микроскопия (визуализация микро- и нанообъектов) и голографическая интерферометрия (динамическая регистрация изменения параметров объекта – температуры, формы, показателя преломления).
Кроме того, с 2020 г. цифровая голография уже находит широкое применение в медицинской и биологической визуализациях, в системах кодирования, передачи и хранения данных, а также позволяет повысить защищенность продукции, денежных знаков и банковских карт.
Короткая ссылка
