튕기는 파도가 물체의 위치를 정확히 찾아냅니다.
에코 챔버는 근접 조사 없이 물체에 대한 소규모 정보를 캡처합니다.
장파장 전자기파 또는 음파를 사용하여 고해상도로 물체를 이미지화하거나 찾으려고 시도하는 것은 실패할 운명처럼 보일 수 있습니다. 물체 가까이에 프로브를 배치하는 트릭이 있으며 근접 프로브를 피하는 몇 가지 특수 기술이 있습니다. 그러나 이제 연구원들은 물체를 포함하는 반향실에서 파도가 튀도록 함으로써 고해상도로 작은 물체의 위치를 결정할 수 있음을 보여주었습니다[ 1 ]. 이미징 마이크로파 파장의 1/76에 대한 정밀도는 클로즈업 프로브가 없을 때 이미징 전문가가 일반적으로 기대하는 반파장 분해능 한계를 훨씬 초과합니다. 이 기술은 방과 같은 잔향 환경 내에서 고해상도 이미징 또는 위치 파악으로 이어질 수 있습니다.
5MHz 의료용 초음파 빔은 0.3mm의 파장보다 훨씬 작은 특징을 분해할 수 없습니다. 빛을 이용한 기존의 이미징도 마찬가지로 파장에 의해 제한됩니다. 더 작은 규모의 특징에 대한 정보는 이미지화되는 물체의 약 파장 내에서 감쇠하는 더 짧은 파장의 반사에 포함됩니다. 따라서 대부분의 고해상도 이미징 기술은 물체 가까이에 프로브를 배치해야 합니다.
그러나 하위 파장 정보는 물체에서 멀리서도 얻을 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 침습적 프로브나 기타 주변 조작 없이 서브파장 이미징을 수행하는 몇 가지 방법을 생각해 냈지만 다소 복잡하다고 프랑스 Rennes 대학의 Philipp del Hougne이 말했습니다. 그와 그의 동료들이 개발한 기술은 더 간단하고 더 많은 상황에서 사용할 수 있습니다.
이 방법은 소위 코딩된 조리개 개념을 기반으로 합니다. 이 이미징 접근 방식의 한 가지 버전은 물체에 파동을 조준하고 물체와 단일 픽셀 검출기 사이에 산란 구조를 배치하는 것입니다. 예를 들어, 불규칙한 모양의 금속 공동은 마이크로파의 산란 구조가 될 수 있습니다. 산란 구조가 다양한 패턴의 파동을 차단하도록 마스킹된 다음 데이터를 처리하여 완전한 이미지를 재구성하기 때문에 연구원은 검출기에서 여러 번 판독할 수 있습니다.
일반적인 coded 조리개 이미징에서 이미징 소스의 파동은 검출기에 도달하기 전에 한 번만 물체와 조우합니다. 그러나 파도가 어떻게든 물체와 여러 번 상호 작용할 수 있다면 반사 패턴은 파장 이하의 세부 사항에 더 민감할 것이라고 연구팀은 잘 알려진 파동 산란 원리를 기반으로 추론했습니다. 이미징 중 물체-파동 상호작용의 수를 늘리기 위해 del Hougne과 그의 동료들은 산란 구조 내부에 물체를 배치하기로 결정했습니다.
연구원들은 금속 상자 내부의 금속 큐브의 위치를 결정하는 개념 증명 실험을 수행했습니다. 너비가 4.5cm인 큐브를 턴테이블 위에 올려 상자 내에서 이동할 수 있었습니다. 미터 너비의 상자에는 무작위 산란 표면을 제공하는 불규칙한 모양의 구조와 함께 파장 12cm의 마이크로파를 방출 및 수신하기 위한 안테나도 포함되어 있습니다. 메타표면(metasurface)이라고 하는 상자에 프로그래밍 가능한 반사 요소 어레이를 사용하여 연구원들은 코딩된 조리개 이미징에 필요한 대로 마이크로파의 산란을 변경할 수 있었습니다.
실험에서 연구원들은 일련의 무작위 메타표면 구성 동안 수신기에서 마이크로파의 진폭을 측정했습니다. 첫째, 그들은 "알려진" 큐브 위치를 기반으로 측정값을 디코딩하도록 신경망을 훈련했습니다. 그런 다음 큐브를 "알 수 없는" 위치로 이동하고 신경망을 사용하여 큐브의 위치를 파장의 1/76인 0.16cm 이내로 재구성했습니다.
상자의 상단이 열리고 닫히고 부분적으로 열린 상태에서 실험을 반복함으로써 팀은 잔향파가 상자에 가장 오랫동안 머무를 때 가장 정확한 위치 파악이 발생했음을 확인했습니다. "[상자]에서 파도가 더 오래 반사될수록 물체와 더 자주 마주치게 되며 하위 파장 세부 사항에 더 민감해집니다."라고 그는 설명합니다.
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아이디어를 테이블에 올려 놓습니다. 반향실에서 고해상도 위치 측정에 대한 새로운 시연은 일반 탁상에서 손가락 탭을 감지하는 미래의 터치 스크린이 위치 측정 해상도를 향상시킬 수 있음을 시사합니다.
Duke University의 전기 및 컴퓨터 엔지니어인 Steven Cummer는 깊은 인상을 받았지만 조심스러웠습니다. "이것은 개념 데모이며 실제 응용 프로그램에서 작동하도록 만드는 방법을 파악하는 데 많은 어려움이 있습니다."라고 그는 말합니다. "하지만 아이디어는 영리합니다."
이 기술은 다양한 유형의 파동 현상에 적용될 수 있다고 del Hougne은 말합니다. 미래의 장치는 일반 방을 반향실로 사용하여 전파나 음파를 통해 물체를 찾을 수 있습니다. 이 방법은 표면에 반향하는 탄성파를 사용하여 탁상을 대화형 터치 스크린으로 변환하는 시스템을 개선하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 파동은 손가락 탭의 위치를 파악하는 데 사용될 수 있으며, 새로운 결과는 그러한 시스템이 이전에 가정한 반파장 한계보다 훨씬 더 나은 해상도를 제공할 수 있음을 시사합니다.
