Regardez par-delà le mur grâce aux lasers et à l'imagerie

En général, une ligne de visée directe entre un objet et une caméra ou un détecteur est nécessaire pour chaque application d'imagerie, sauf dans des cas extrêmes tels que la déviation de la lumière due à la lentille gravitationnelle en astronomie. Mais dans la plupart des cas, les applications d'imagerie se limitent à la propagation de la lumière en ligne droite. Cependant, cela commence à changer, car certaines recherches de pointe ouvrent des possibilités d’imager des objets au coin d’une rue ou derrière des obstacles. Grâce à une combinaison de lasers, de caméras sensibles et de méthodes de reconstruction informatique, il est possible de détecter les objets cachés par des obstacles en dispersant la lumière sur des objets environnants.

L’avenir est à nos portes

Le principe d'imagerie hors ligne de visée est similaire à celui du LiDAR (télédétection par laser ou en anglais light detection and ranging), où la distance entre l'objet et un détecteur est donnée par la mesure du temps de vol, c'est-à-dire le délai entre l'émission de l'impulsion et la détection de l'impulsion réfléchie. Cependant, l’imagerie hors de la ligne de visée permet de visualiser des objets dissimulés par des obstacles en ajoutant un autre événement de diffusion à ce processus.¹

Figure 1 : Pour imager une cible cachée par un obstacle, des impulsions laser ultracourtes sont émises vers un objet, tel qu'un mur, près de la cible.

Figure 2 : L'impulsion laser atteint le mur, ou tout autre objet près de la cible, et est dispersée vers la cible cachée.

Figure 3 : Cette lumière se disperse ensuite une seconde fois depuis la cible cachée et se propage vers le mur. La caméra très sensible détecte cette dispersion secondaire lorsque celle-ci atteint le mur. Un modèle 3D de la cible cachée est formé en répétant ce processus pour de nombreuses positions laser différentes sur le mur.

Reconstitution d'un modèle de la cible cachée

Les caméras très sensibles, comme les caméras à photodiode à avalanche à photon unique, sont nécessaires pour mesurer la propagation d'impulsions lumineuses pico- et femtosecondes en temps réel. Le détecteur reçoit deux échos lumineux différents : un écho initial provenant directement du mur et un écho secondaire provenant de la cible. Ce dernier est utilisé pour l'imagerie hors ligne de visée. Ces informations sur le temps de vol sont ensuite utilisées pour reconstruire une série d'ellipsoïdes qui se chevauchent à un point donné sur la cible cachée, permettant au logiciel de calculer la distance entre la caméra et la cible cachée et de recréer un modèle 3D.

Un objet 3D peut être décomposé en un ensemble de nombreux points individuels qui diffusent la lumière. La somme de tous ces points permet de reconstruire un modèle de l'objet original. Si le détecteur peut distinguer des échos lumineux avec une résolution temporelle de 100 ps, cela correspond à une résolution spatiale de points sur la cible cachée d'environ 1,5 cm.¹

Figure 4 : Illustration de la façon dont l’imagerie hors ligne de visée génère un modèle 3D d'un objet dissimulé en additionnant une série de points déterminés selon le processus décrit aux figures 1 à 3.

Applications concrètes

Véhicules autonomes

Permettre aux voitures de détecter les véhicules ou les piétons dans les virages avant qu'ils ne soient dans le champ visuel direct de la voiture²

Sécurité publique

Donner la possibilité aux forces de l'ordre, aux pompiers et aux services médicaux d'urgence de détecter la présence de personnes dans des situations dangereuses à une distance de sécurité²

Imagerie médicale / Microscopie

Étudier les petites structures 3D cachées de la ligne de visée directe du système²

L’avenir de l’imagerie hors ligne de visée

Il est extrêmement difficile d'utiliser cette technologie émergente dans le monde réel et de créer une solution pratique, portable et sans danger/risque pour les yeux de l'observateur. L'un des principaux problèmes de l'imagerie hors ligne de visée est la quantité limitée de lumière qui retourne vers le détecteur, qui doit être capable de capter cette très petite quantité de lumière et de la différencier de toutes les sources de lumière ambiante. Le signal revenant vers le détecteur est le résultat de deux événements de dispersion consécutifs, conduisant à une perte extrêmement élevée. Les échos lumineux peuvent être aussi faibles qu'un seul photon par impulsion laser.¹

Cependant, le laboratoire d'imagerie numérique de Stanford a mis au point un système d'imagerie hors ligne de visée qui fonctionne à l'extérieur sous la lumière indirecte du soleil.² Ils ont réussi à créer une image d'un objet fait de ruban rétroréfléchissant qui était masqué par un mur, ce qui est un présage favorable pour l'avenir de cette technologie.

Le laboratoire d'Aristide Dogariu de l'Université de Floride centrale étudie l'imagerie hors ligne de visée en utilisant la cohérence spatiale de la lumière atteignant un mur au lieu de la lumière laser déflechie par ce mur et par la cible derrière celui-ci.³ Cela pourrait mener à la modélisation de la cible cachée sans nécessiter un éclairage laser ultrarapide, rendant les applications réelles de cette technologie plus portables et faciles à utiliser.

D'autres développements sont encore nécessaires avant que la technologie d'imagerie hors ligne de visée ne devienne disponible dans les systèmes commerciaux pratiques, mais il s'agit d'une solution prometteuse pour la prochaine génération d'applications d'imagerie.