Фізики навчилися за допомогою лазера отримувати тривимірне зображення об'єкта, що знаходиться за двосантиметровим шаром поліуретанової піни. Промінь лазера проходив по поверхні розсіюючого середовища, і за відображеними фотонами вчені відновлювали форму і положення предмета. Спрощена модель зворотної згортки з урахуванням процесу розсіювання дозволила скоротити час розрахунків з використанням звичайного комп'ютера до 50 мілісекунд, а сама техніка не вимагала знань про початкове положення об'єкта і виявилася застосовною для великого діапазону відстаней. Стаття опублікована в журналі.
Розсіювання світла - одна з головних перешкод для ефективної роботи лідарів. Ці прилади використовують інформацію про час руху спрямованого випромінювання до і після відбиття від спостережуваного об'єкта для створення його тривимірного зображення та визначення його положення в просторі. Однак якщо між лідаром і предметом виявиться лише частково прозоре середовище, наприклад, туман, пил або дим, то визначити положення об'єкта може бути складно або зовсім неможливо. З такими обмеженнями важливо вміти боротися, адже лідари використовуються в безпілотних автомобілях, а зі схожими проблемами стикаються астрономи (через неоднорідності в атмосфері) і навіть медики (в рамках різних технік медичної візуалізації).
Тому необхідно створювати техніки створення зображень в умовах, коли між об'єктом і спостерігачем знаходиться розсіювальне середовище. Вже зараз існує ряд методів, що дозволяють вирішити проблему розсіювання: у деяких використовуються так звані балістичні фотони, які не змінюють напрям рух при проходженні крізь неоднорідне середовище, в інших з розсіювачами борються за допомогою моделювання їх оптичних властивостей і відновлення вихідного сигналу. Однак для ефективної роботи таких технік вченим необхідно заздалегідь знати зразкове місце розташування об'єкта, їх ефективність різко падає зі збільшенням відстаней, а відновлення зображення за допомогою моделювання вимагає занадто багато часу.
Тепер Девід Лінделл (David Lindell) і Гордон Ветцштейн (Gordon Wetzstein) зі Стенфордського університету реалізували техніку формування тривимірного зображення об'єкта за розсіювальним середовищем за допомогою лазера і вкрай чутливого детектора відображених фотонів. Як розсіювач фізики використовували двосантиметровий шар з поліуретанової піни, який вони поточечно (в рамках сітки розміром 32 ст.132) опромінювали лазером і спостерігали за відбиттям пучка світла. Частина фотонів, які відбилися від об'єкта за розсіювальним середовищем, знову проходили через шар піни, поверталися у вихідну точку випромінювання і реєструвалися однофотонним лавинним діодом. За даними детектора для кожної точки формувалася залежність частоти реєстрації фотонів від часу з моменту їх випромінювання, за якою відновлювалася тривимірна «карта» відбитого від об'єкта світла (фотони, які відбилися від самого середовища, виключалися).
Щоб за зібраною інформацією відновити реальне зображення предмета фізики створили метод, який перетворював вихідні дані на два етапи. Спочатку з урахуванням оптичних характеристик піни і рівняння розсіювання алгоритм виключав з даних вплив подвійного розсіювання випромінювання на поліуретанового шару. Після цього в руках дослідників виявлялася карта випромінювання в разі, якби між об'єктом і лазером не було перешкоди. Потім фізики виробляли інверсію даних відображеного випромінювання за допомогою технік зворотної згортки і отримували тривимірне зображення предмета за розсіювачем. Розбивка отримуваних даних на окремі точки дозволила зробити ряд спрощень в алгоритмі, в результаті зібрані за хвилину дані оброблялися на звичайному комп'ютері всього за півсекунди, а з використанням відеокарти останнього - і зовсім за 50 мілісекунд.
У випадку, коли предмет знаходився в 50 сантиметрах від розсіювального шару, а висота і ширина області сканування були рівні 70 сантиметрів, авторам вдалося досягти поздовжньої і поперечної похибки визначення просторового положення об'єкта в 9 і 15 сантиметрів відповідно. Основний внесок у неточності надавала товщина шару поліуретанової піни: чим товще розсіювач, тим менше число фотонів, у яких виходить два рази пройти через нього і повернутися в точку вихідного випромінювання. Також автори зазначають, що метод передбачає статичність розсіюючого середовища і його параметрів, чого важко досягти в реальних умовах, але фізики все одно вірять, що такій технології знайдеться практичне застосування.
Раніше з розсіюванням світла в тумані впорався лідар, який навчили розрізняти невидимі для людського погляду предмети. А зовсім недавно фізики створили лідар, який зміг розрізнити метрові деталі на відстані 45 кілометрів.