Den Forschern gelingt es, das Sichtfeld für die Speckle-Korrelations-Bildgebung unter einem begrenzten Memory-Effekt zu erweitern

Der Versuch, durch streuende Medien wie Dunst und Nebel zu sehen, wird in unserem täglichen Leben oft von Enttäuschungen oder sogar Schwierigkeiten begleitet – wenn Sie jemals an einem bewölkten Morgen einen Sonnenaufgangsausflug oder eine schweißtreibende Fahrt durch dichten Nebel erlebt haben. Für Forscher in Optik und Photonik ist das Sehen durch streuende Medien auch eine seit langem bestehende Herausforderung in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien, wie z. B. der Mikroskopbildgebung durch biologisches Gewebe und der teleskopischen Beobachtung durch atmosphärische Turbulenzen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde die Speckle-Korrelations-Bildgebung als aufstrebende Technik mit nicht-invasiver Natur und minimalem optischen Aufbau entwickelt, die trotz ihrer Fähigkeit zur Bildgebung durch stark streuende Medien Vorteile gegenüber etablierten Ansätzen wie Wellenfrontformung und Transmissionsmatrix sind.

Die Speckle-Korrelations-Bildgebung ist jedoch nicht immer praktikabel. Es funktioniert auf der Prämisse einer physikalischen Eigenschaft namens Memory-Effekt – angenommene Verschiebungsinvarianz des Speckle-Musters während des Streuprozesses, der bekanntermaßen stark eingeschränkt ist, wenn das Medium dick ist.

Kürzlich haben Forscher der Universität Tokio und der Universität Osaka eine vielversprechende Lösung für die Speckle-Korrelations-Bildgebung ausgearbeitet, um unter einem begrenzten Gedächtniseffekt ordnungsgemäß zu funktionieren. Sie veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse in Intelligentes Rechnen am 30. Sept.

„Ein Problem bei der Speckle-Korrelations-Bildgebung war das kleine Sichtfeld aufgrund einer begrenzten Reichweite des Memory-Effekts, wenn das Streumedium dick war“, betonten die Forscher.

Um den Engpass zu überwinden, schlugen sie ein Verfahren zur Erweiterung des Sichtfelds der Single-Shot-Bildgebung mit Speckle-Korrelation vor. „Das vorgeschlagene Verfahren berücksichtigt den Zerfall der Speckle-Korrelation unter einem begrenzten Memory-Effekt und extrapoliert die Korrelation im Rekonstruktionsprozess“, erklären die Forscher.

„Unsere Methode schätzt gleichzeitig sowohl das Objekt als auch den Zerfall der Speckle-Korrelation basierend auf der Gradientenabstiegsmethode.“

Das vorgeschlagene Verfahren wurde dann numerisch und experimentell demonstriert, wobei sowohl der vorgeschlagene Algorithmus (mit berücksichtigter Zerfallsfunktion) als auch der herkömmliche (ohne berücksichtigte Zerfallsfunktion) während des Rekonstruktionsprozesses als vergleichende Referenz angewendet wurden.

Im Experiment rekonstruierten die Forscher Punktquellen hinter streuenden Medien mit einem minimalen optischen Aufbau, ohne abbildende Optik: Von links nach rechts war inkohärentes Licht, ein Bandpassfilter, ein Diffusor, ein Objekt (ein Stück Alufolie mit 15 Löcher), die von dem gestreuten Licht beleuchtet werden, ein weiterer Diffusor und ein Bildsensor, der das durch das Objekt hindurchtretende Licht erfasst.

Nach einer vergleichenden Analyse der rekonstruierten Bilder, die mit dem vorgeschlagenen bzw. dem herkömmlichen Algorithmus erhalten wurden, stellten die Forscher fest, dass der vorgeschlagene Algorithmus im Vergleich zum herkömmlichen Algorithmus ein größeres Sichtfeld wiedererlangte und sein geschätzter Zerfallsparameter mit dem tatsächlich gemessenen übereinstimmte.

„Dieses Ergebnis bestätigte unser Konzept der Speckle-Korrelations-Bildgebung mit dem erweiterten Sichtfeld durch Extrapolation der begrenzten Autokorrelation“, schlossen die Forscher.

Dieses vorgeschlagene Verfahren ist laut den Forschern ohne optische Modifikationen ohne weiteres auf herkömmliche Speckle-Korrelations-Bildgebungsverfahren anwendbar. Darüber hinaus ist dieses Verfahren der Single-Shot-Bildgebung mit Speckle-Korrelation auch auf die mehrdimensionale Bildgebung mit Speckle-Korrelation erweiterbar und wird daher zu Bildgebungsanwendungen in verschiedenen Bereichen wie Biomedizin, Astronomie und Sicherheit beitragen.