Ingenjörer vid Duke University har utvecklat en metod för att extrahera en färgbild från en enda exponering av ljus spridd genom ett mest ogenomskinligt material. Tekniken har tillämpningar inom ett brett spektrum av områden, från sjukvård till astronomi.

Studien dök upp online den 9 juli i tidningen Optica .

"Andra har kunnat rekonstruera färgbilder från spritt ljus, men dessa metoder var tvungna att offra rumslig upplösning eller krävde tidigare karakterisering av spridaren i förväg, vilket ofta inte är möjligt, "sa Michael Gehm, docent i el- och datateknik vid Duke. "Men vårt tillvägagångssätt undviker alla dessa frågor."

När ljus sprids när det passerar genom ett genomskinligt material, det framväxande mönstret "fläck" ser lika slumpmässigt som statiskt ut på en tv -skärm utan signal. Men det är inte slumpmässigt. Eftersom ljuset som kommer från en punkt på ett objekt färdas en väg som liknar den för ljuset som kommer från en angränsande punkt, fläckmönstret från varje ser väldigt likadant ut, bara skiftat något.

Med tillräckligt med bilder, astronomer brukade använda detta "minneeffekt" -fenomen för att skapa tydligare bilder av himlen genom en turbulent atmosfär, så länge föremålen som avbildades var tillräckligt kompakta.

Medan tekniken föll i oförmåga med utvecklingen av adaptiv optik, som gör samma jobb med hjälp av justerbara speglar för att kompensera för spridningen, det har nyligen blivit populärt igen. Eftersom moderna kameror kan spela in hundratals miljoner pixlar åt gången, det behövs bara en enda exponering för att få statistiken att fungera.

Även om detta tillvägagångssätt kan rekonstruera en spridd bild, den har begränsningar inom färgområdet. Fläckmönstren som skapas av olika våglängder är vanligtvis omöjliga att lossna från varandra.

Det nya avbildningssättet för minneeffekt som utvecklats av författarna Xiaohan Li, en doktorsexamen student i Gehms lab, Joel Greenberg, docent i el- och datateknik, och Gehm bryter igenom denna begränsning.

Tricket är att använda en kodad bländare följt av ett prisma. En kodad bländare är i grunden ett filter som låter ljus passera genom vissa områden men inte andra i ett specifikt mönster. Efter att fläcken "stämplats" av den kodade bländaren, den passerar genom ett prisma som får olika ljusfrekvenser att sprida sig från varandra.

Detta får mönstret från den kodade bländaren att förskjutas något i förhållande till bilden som tas av detektorn. Och mängden den skiftar är direkt relaterad till ljusets färg som passerar igenom.

"Denna förskjutning är liten jämfört med den totala storleken på det som avbildas, och eftersom vår detektor inte är känslig för färg, det skapar en rörig kombination, "sa Li." Men skiftet är tillräckligt för att ge vår algoritm ett tåhåll för att reta de enskilda fläckmönstren bortsett från varje färg, och utifrån det kan vi ta reda på hur objektet ser ut för varje färg. "

Forskarna visar att genom att fokusera på fem spektrala kanaler som motsvarar violett, grönt och tre nyanser av rött, tekniken kan rekonstruera en bokstav "H" full av nyanserade rosa, gula och blues. Utanför denna svåra principprövning, forskarna tror att deras tillvägagångssätt kan hitta tillämpningar inom områden som astronomi och sjukvård.

Inom astronomi, färginnehållet i ljuset som kommer från astronomiska fenomen innehåller värdefull information om dess kemiska sammansättning, och fläckar skapas ofta eftersom ljuset förvrängs av atmosfären. På samma sätt inom vården, färg kan berätta för forskare något om den molekylära sammansättningen av det som avbildas, eller det kan användas för att identifiera biomolekyler som har taggats med fluorescerande markörer.

"Det finns många applikationer där människor verkligen vill veta hur mycket energi det finns i specifika spektralband som släpps ut från föremål som ligger bakom ogenomskinliga tillslutningar, "sade Greenberg." Vi har visat att detta tillvägagångssätt kan uppnå detta mål över det synliga spektrumet. Att känna till bländarmönstret och hur mycket det skiftar som en funktion av våglängd ger nyckeln vi behöver för att ta bort den röriga summan till separata kanaler. "