Die neue Technik, mit der das Licht verwürfelt wird, kann zu schärferen Bildern und breiteren Ansichten führen

Die neue Technik, mit der das Licht verwürfelt wird, kann zu schärferen Bildern und breiteren Ansichten führen

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Anonim

von Chandra Shekhar

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Wenn Fotografen auf ein Objekt zoomen, um es besser sehen zu können, verlieren sie die Weitwinkelperspektive - sie sind gezwungen, den "Big Picture" -Kontext gegen Details auszutauschen. Jetzt könnte eine von Princeton-Forschern entwickelte Bildgebungsmethode zu Objektiven führen, die alle Teile der Szene auf einmal mit derselben Detailgenauigkeit zeigen. Die neue Methode könnte helfen, leistungsstärkere Mikroskope und andere optische Geräte zu bauen.

"So können Sie ein Objekt näher betrachten, ohne das Sichtfeld einzuschränken", sagte Jason Fleischer, Assistenzprofessor für Elektrotechnik bei Princeton, der die Forschung leitete. Die Studie, die gemeinsam mit den Doktoranden Christopher Barsi und Wenjie Wan verfasst wurde, wird in der April-Ausgabe von Nature Photonics als Titelstory veröffentlicht.

Kameras und andere optische Geräte - einschließlich des menschlichen Auges - sind durch die Lichtmenge begrenzt, die sie durch ihre Linsenöffnungen oder Öffnungen sammeln können. Damit ein Lichtstrahl aufgezeichnet werden kann, muss er durch das Objektiv zum "Detektor" des Geräts gelangen - beispielsweise zur Netzhaut des Auges oder zum Detektor einer Digitalkamera. Viele Lichtstrahlen gelangen jedoch nie zum Detektor, entweder weil sie zu schwach sind oder weil sie abgelenkt werden.

Dieses Problem ist besonders akut bei Details, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. (Jede Lichtfarbe hat eine bestimmte Wellenlänge. Grün hat beispielsweise eine Wellenlänge von 530 Nanometern, was in etwa der Größe der inneren Struktur eines typischen Bakteriums entspricht.) Lichtstrahlen von so kleinen Merkmalen verblassen, bevor sie die Linse erreichen. Um diese Strahlen einzufangen, müssen Geräte sehr nahe an der Oberfläche des Objekts suchen und es Punkt für Punkt scannen, wobei ein Vollbild zusammengefügt wird.

"Tatsächlich leiden diese Geräte unter" Tunnelblick "", sagte Fleischer.

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Das neue Verfahren behebt die Mängel kleiner Aperturen, indem es die ungewöhnlichen Eigenschaften von Substanzen nutzt, die als nichtlineare optische Materialien bezeichnet werden. Bei herkömmlichen Linsenmaterialien wie Glas oder Kunststoff treten Lichtstrahlen durch, ohne miteinander in Wechselwirkung zu treten. In nichtlinearen Materialien vermischen sich Lichtstrahlen auf komplexe Weise miteinander. Strahlen, die die Kamera nicht erreichen, geben möglicherweise einen Teil ihrer Informationen an Strahlen weiter, die von ihr aufgezeichnet werden. Durch das Mischen der Strahlen gelangen Informationen, die sonst verloren gehen würden, in die Kamera.

Das Bild von einem nichtlinearen Objektiv wäre daher detailreich. Leider wäre es auch verzerrt - und für herkömmliche Optiken unbrauchbar. Könnten die Informationen jedoch entschlüsselt werden, könnte ein Computer ein unverzerrtes Bild der gesamten Szene mit hoher Auflösung rekonstruieren. "In einem solchen Bild werden alle Teile der Szene gleichzeitig vergrößert", sagte Fleischer.

Bislang haben Wissenschaftler diese Entschlüsselung und Rekonstruktion nur in sehr beengten Umgebungen wie Glasfaserkabeln erreicht. Dies liegt zum Teil daran, dass Kameras und andere optische Geräte in der Regel nicht alle visuellen Informationen aufzeichnen - sie zeichnen nur Farbe und Helligkeit auf, die Eigenschaften, die im Alltag wahrgenommen werden. Ein Großteil der Informationen, die für die Wiederherstellung der feineren Details eines Objekts oder einer Szene unerlässlich sind, werden von einer anderen als Phase bezeichneten Lichteigenschaft erfasst, die die Zeit und den Ort eines Wellenpeaks misst.

Um die visuellen Informationen aus ihrem nichtlinearen Material zu erfassen, verwendeten die Princeton-Forscher Geräte, um eine spezielle Art von Foto aufzunehmen, ein so genanntes Hologramm, das die Phase aufzeichnet. Sie kombinierten auch Daten von einer normalen Kamera. Als ersten Schritt bei der Verarbeitung all dieser Informationen erstellten sie ein vereinfachtes Modell des Lichtflusses durch ein nichtlineares Material. Als nächstes entwickelten sie eine mathematische Technik, die das verzerrte Bild aufnimmt und rückwärts arbeitet, um die visuellen Informationen an jedem Punkt im Raum zwischen dem Bild und dem Objekt zu berechnen. Mit dieser Methode können an jedem beliebigen Punkt hochauflösende Bilder erstellt werden - in der Kamera, am Ort des Objekts selbst oder irgendwo dazwischen.

Ausgerüstet mit diesen Techniken richtete das Princeton-Team sein Bildgebungssystem ein. Die Kernkomponente, ein nichtlinearer Wellenmischer, ist ein rechteckiger pillengroßer Kristall aus einem Material namens Strontiumbariumniobat. Die Forscher platzierten das abzubildende Objekt auf einer Seite der Kristall- und Bilderfassungsausrüstung auf der anderen. Sie testeten das System, indem sie Bilder verschiedener Objekte erhielten, darunter eine von der Air Force entwickelte Karte, die häufig zur Kalibrierung optischer Geräte verwendet wird. In jedem Fall könnte das System die Objekte mit hoher Auflösung abbilden. "Wir waren überrascht, wie gut es funktioniert hat", sagte Barsi.

Durch die Erfassung von Informationen, die normalerweise verloren gehen würden, könnte die neue Methode die Auflösung bei normalem Licht erheblich verbessern. So könnten Wissenschaftler Mikroskope und andere Geräte bauen, die eine sogenannte Superauflösung ermöglichen. Konventionelle Methoden könnten mit ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlen, die viel kleinere Wellenlängen als sichtbares Licht haben, eine ähnliche Auflösung erzielen, aber diese Art von Strahlung schädigt lebende Zellen. "Die neue Methode könnte Ihnen helfen, viel präziser zu sehen, aber mit einem Licht, das die Zelle wirklich mag", sagte Fleischer.

Eine weitere Anwendung des Verfahrens ist die Lithografie - das Ätzen feiner Muster auf Oberflächen - ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Computerchips, biomedizinischen Bauteilen und anderen miniaturisierten Bauteilen. Dies könnte erreicht werden, indem die Zieloberfläche mit einem Laserstrahl gebrannt wird, der mithilfe der neuen Technik in umgekehrter Reihenfolge geformt wurde: Beginnen Sie mit einem Breitfeldmuster und lassen Sie den nichtlinearen Kristall zoomen.

Eine weitere interessante Anwendung könnte die Tomographie sein, eine Technologie, die häufig verwendet wird, um 3D-Bilder von Körperteilen für die medizinische Diagnostik zu erhalten. Gegenwärtige Verfahren nehmen typischerweise eine Anzahl von 2-D-Bildern aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf und setzen sie zu einem 3-D-Bild zusammen. Im Gegensatz dazu ermöglicht das neue System die direkte Berechnung der visuellen 3D-Informationen aus Bildern unter einem einzigen Gesichtspunkt, was möglicherweise die Einrichtung vereinfacht.

Weitere Einsatzmöglichkeiten des neuen Verfahrens liegen in der Datenverschlüsselung und der Charakterisierung der optischen Eigenschaften neuer nichtlinearer Materialien. Die Methode könnte das grundlegende Verständnis der Wissenschaftler verbessern, wie sich Licht beim Durchgang durch solche Medien verhält. Neben der Erforschung einiger dieser Möglichkeiten arbeiten die Forscher an der Entwicklung eines besseren nichtlinearen Linsenmaterials und der Verbesserung ihrer Rekonstruktionstechnik.

Weitere Informationen: C. Barsi, W. Wan und JW Fleischer, Nature Photonics 3, 211 (2009)

Quelle: Princeton University (Nachrichten: Web)