Ingenieurs van Duke University hebben een methode ontwikkeld om een ​​kleurenbeeld te extraheren uit een enkele belichting van licht dat wordt verstrooid door een grotendeels ondoorzichtig materiaal. De techniek heeft toepassingen in een breed scala van gebieden, van gezondheidszorg tot astronomie.

De studie verscheen op 9 juli online in het tijdschrift optiek .

"Anderen hebben kleurenbeelden kunnen reconstrueren uit verstrooid licht, maar die methoden moesten ruimtelijke resolutie opofferen of vooraf karakteriseren van de verstrooier, wat vaak niet mogelijk is, " zei Michael Gehm, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek bij Duke. "Maar onze aanpak vermijdt al die problemen."

Wanneer licht wordt verstrooid terwijl het door een doorschijnend materiaal gaat, het opkomende patroon van "spikkels" ziet er zo willekeurig uit als statisch op een televisiescherm zonder signaal. Maar het is niet willekeurig. Omdat het licht dat van een punt van een object komt een pad aflegt dat erg lijkt op dat van het licht dat van een aangrenzend punt komt, het spikkelpatroon van elk ziet er ongeveer hetzelfde uit, net iets verschoven.

Met genoeg afbeeldingen, astronomen gebruikten dit 'geheugeneffect'-fenomeen om duidelijkere beelden van de hemel te maken door een turbulente atmosfeer, zolang de afgebeelde objecten maar voldoende compact waren.

Hoewel de techniek uit de gratie raakte bij de ontwikkeling van adaptieve optica, die hetzelfde werk doen door verstelbare spiegels te gebruiken om de verstrooiing te compenseren, het is onlangs weer populair geworden. Omdat moderne camera's honderden miljoenen pixels tegelijk kunnen opnemen, er is slechts een enkele belichting nodig om de statistieken te laten werken.

Hoewel deze benadering een verstrooid beeld kan reconstrueren, het heeft beperkingen op het gebied van kleur. De spikkelpatronen die door verschillende golflengten worden gecreëerd, zijn meestal onmogelijk van elkaar te ontwarren.

De nieuwe benadering voor beeldvorming met geheugeneffecten, ontwikkeld door de auteurs Xiaohan Li, een doctoraat student in het lab van Gehm, Joël Groenberg, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek, en Gehm doorbreekt deze beperking.

De truc is om een ​​gecodeerd diafragma te gebruiken gevolgd door een prisma. Een gecodeerd diafragma is in feite een filter dat licht door sommige gebieden laat gaan, maar niet door andere in een specifiek patroon. Nadat de spikkel is "gestempeld" door de gecodeerde opening, het gaat door een prisma dat ervoor zorgt dat verschillende lichtfrequenties zich uit elkaar verspreiden.

Dit zorgt ervoor dat het patroon van de gecodeerde opening enigszins verschuift ten opzichte van het beeld dat wordt vastgelegd door de detector. En de hoeveelheid die het verschuift, is direct gerelateerd aan de kleur van het licht dat er doorheen gaat.

"Deze verschuiving is klein in vergelijking met de totale omvang van wat wordt afgebeeld, en omdat onze detector niet gevoelig is voor kleur, het zorgt voor een rommelige combinatie, " zei Li. "Maar de verschuiving is genoeg om ons algoritme een houvast te geven om de individuele spikkelpatronen te onderscheiden van elke kleur, en daaruit kunnen we voor elke kleur achterhalen hoe het object eruitziet."

De onderzoekers laten zien dat, door te focussen op vijf spectrale kanalen die overeenkomen met violet, groen en drie tinten rood, de techniek kan een letter "H" reconstrueren vol genuanceerde roze tinten, geel en blauw. Buiten dit moeilijke proof-of-principle, de onderzoekers denken dat hun aanpak toepassingen kan vinden op gebieden als astronomie en gezondheidszorg.

In de astronomie, de kleurinhoud van het licht afkomstig van astronomische verschijnselen bevat waardevolle informatie over de chemische samenstelling ervan, en spikkels worden vaak gecreëerd als licht wordt vervormd door de atmosfeer. Zo ook in de zorg kleur kan onderzoekers iets vertellen over de moleculaire samenstelling van wat wordt afgebeeld, of het kan worden gebruikt om biomoleculen te identificeren die zijn gelabeld met fluorescerende markers.

"Er zijn veel toepassingen waarbij mensen echt willen weten hoeveel energie er is in specifieke spectrale banden die worden uitgezonden door objecten die zich achter ondoorzichtige occlusies bevinden, " zei Greenberg. "We hebben aangetoond dat deze aanpak dit doel over het zichtbare spectrum kan bereiken. Als we het diafragmapatroon kennen en hoeveel het verschuift als functie van de golflengte, is de sleutel die we nodig hebben om de rommelige som te ontwarren in afzonderlijke kanalen."