חוקרי הרווארד חידשו מערכת הדמיה קומפקטית עם צילום קיטוב בצילום יחיד, המפשטת הגדרות מסורתיות ומרחיבה יישומים בטכנולוגיות רפואיות, AR וסמארטפונים, תוך שיפור יכולות הדמיה משולבות בזמן אמת ולמידת מכונה. קרדיט: twoday.co.il.com
מדענים פיתחו מערכת הדמיית קיטוב קומפקטית, צילום יחיד ומלאה באמצעות משטחים.
חשבו על כל המידע שאנו מקבלים בהתבסס על האופן שבו אובייקט מקיים אינטראקציה עם אורכי גל של אור – כלומר צבע. צבע יכול לומר לנו אם מזון בטוח לאכילה או אם חתיכת מתכת חמה. צבע הוא כלי אבחוני חשוב ברפואה, המסייע למתרגלים לאבחן רקמות חולות, דלקות או בעיות בזרימת הדם.
חברות השקיעו רבות כדי לשפר צבע בהדמיה דיגיטלית, אבל אורך הגל הוא רק תכונה אחת של האור. הקיטוב – האופן שבו השדה החשמלי מתנודד עם התפשטות האור – גם הוא עשיר במידע, אך הדמיית קיטוב נותרה מוגבלת בעיקר להגדרות מעבדה על גבי שולחן, תוך הסתמכות על אופטיקה מסורתית כמו לוחות גלים ומקטבים על תושבות סיבוביות מגושמות.
פריצת דרך בהדמיית קיטוב קומפקטית
כעת, חוקרים מבית הספר להנדסה ולמדעים שימושיים בהרווארד ג'ון א. פולסון (SEAS) פיתחו מערכת הדמיה קומפקטית של קיטוב עם צילום יחיד שיכול לספק תמונה מלאה של קיטוב. על ידי שימוש בשני משטחים דקים בלבד, מערכת ההדמיה יכולה לפתוח את הפוטנציאל העצום של הדמיית קיטוב עבור מגוון יישומים קיימים וחדשים, כולל הדמיה ביו-רפואית, מערכות מציאות מוגברת ומציאות מדומה וסמארטפונים.
המחקר מתפרסם ב טבע פוטוניקה.
למין ייחודי של חיפושית, Chrysina gloriosa, יש תגובה ברורה לאור מקוטב מעגלי המשתקף מהקליפה שלה. תגובה כיראלית זו מצולם בצורה נכונה על ידי המערכת החדשה. קרדיט: Aun Zaidi/Harvard SEAS
"מערכת זו, החופשית מכל חלקים נעים או אופטיקה של קיטוב בתפזורת, תעצים יישומים בהדמיה רפואית בזמן אמת, אפיון חומרים, ראיית מכונה, זיהוי מטרות ותחומים חשובים אחרים", אמר פדריקו קפאסו, רוברט ל. וואלאס. פרופסור לפיזיקה יישומית ועמית מחקר בכיר בהנדסת חשמל ב-SEAS ווינטון הייז ומחבר בכיר של המאמר.
במחקרים קודמים, קפאסו וצוותו פיתחו מצלמת קיטוב קומפקטית ראשונה מסוגה כדי ללכוד מה שנקרא תמונות סטוקס, תמונות של חתימת הקיטוב המשקפת אובייקט – מבלי לשלוט בהארת האירוע.
הדמיית קיטוב אקטיבית
"בדיוק כפי שהגוון או אפילו הצבע של אובייקט יכולים להיראות שונים בהתאם לצבע של התאורה המתרחשת, חתימת הקיטוב של עצם תלויה בפרופיל הקיטוב של ההארה", אמרה און זיידי, בוגרת דוקטורט טרייה מקפאסו. קבוצה ומחבר ראשון של המאמר. "בניגוד להדמיית קיטוב קונבנציונלית, הדמיית קיטוב 'אקטיבית', הידועה בשם הדמיית מטריצת מולר, יכולה ללכוד את תגובת הקיטוב השלמה ביותר של אובייקט על ידי שליטה בקיטוב האירוע."
נכון לעכשיו, הדמיית מטריצת מולר דורשת מערך אופטי מורכב עם מספר לוחות מסתובבים ומקטבים הלוכדים ברצף סדרה של תמונות המשולבות כדי לממש ייצוג מטריצת של התמונה.
המערכת הפשוטה שפותחה על ידי קפאסו וצוותו משתמשת בשני משטחים דקים במיוחד – האחד להאיר אובייקט והשני כדי ללכוד ולנתח את האור בצד השני.
המטא-שטח הראשון מייצר את מה שמכונה אור מובנה מקוטב, שבו הקיטוב מתוכנן להשתנות מרחבית בדפוס ייחודי. כאשר האור המקוטב הזה משתקף או משדר דרך האובייקט המואר, פרופיל הקיטוב של האלומה משתנה. השינוי הזה נלכד ומנתח על ידי המטא-שטח השני כדי לבנות את התמונה הסופית – בצילום בודד.
הטכניקה מאפשרת הדמיה מתקדמת בזמן אמת, שחשובה ליישומים כמו ניתוחים אנדוסקופיים, זיהוי פנים בסמארטפונים ומעקב עיניים במערכות AR/VR. זה יכול להיות גם משולב עם אלגוריתמים רבי עוצמה של לימוד מכונה עבור יישומים באבחון רפואי, סיווג חומרים ותרופות.
"הפכנו שני שדות נפרדים לכאורה של אור מובנה והדמיה מקוטבת כדי לעצב מערכת אחת הלוכדת את מידע הקיטוב השלם ביותר. השימוש שלנו במטא-משטחים מהונדסים בננו, שמחליפים רכיבים רבים שהיו נדרשים באופן מסורתי במערכת כמו זו, מפשט מאוד את העיצוב שלה", אמר זיידי.
"המערכת הבודדת והקומפקטית שלנו מספקת מסלול בר-קיימא לאימוץ נרחב של סוג זה של הדמיה כדי להעצים יישומים הדורשים הדמיה מתקדמת", אמר קפאסו.
המשרד לפיתוח טכנולוגי בהרווארד הגן על הקניין הרוחני הקשור לפרויקט זה מתוך המעבדה של פרופ' קפאסו והעניק רישיון לטכנולוגיה ל-Metalenz לצורך פיתוח נוסף.
המחקר נערך בשיתוף נח רובין, מרינה מרצקה, ליסה לי, אחמד דורה וג'ון-סו פארק. הוא נתמך על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי תחת פרס מספר FA9550-21-1-0312, המשרד למחקר ימי (ONR) תחת פרס מספר N00014-20-1-2450, מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי (נאס"א) תחת מספרי הפרס 80NSSC21K0799 ו-80NSSC20K0318, והקרן הלאומית למדע תחת פרס מס. ECCS-2025158.
