Nutzung optischer Materialien zur Erfassung verborgener Daten durch einen neuen Bildgebungsansatz

In einer Zeit, in der sich autonome Navigation, medizinische Diagnostik und Fernerkundung rasant weiterentwickeln, genügen herkömmliche Kameras, die nur die Lichtintensitäten von Rot, Grün und Blau (RGB) erfassen, nicht den Datenanforderungen. Diesen Kameras entgehen oft wichtige Spektral- und Polarisationsdetails, die für die Identifizierung von Materialien, die Unterscheidung von gesundem von krankem Gewebe, die Bereitstellung eines einzigartigen 3D-Situationsbewusstseins und die Verfolgung von Umweltveränderungen entscheidend sind.

Die schnelle Entwicklung der künstlichen Intelligenz und das aufstrebende Gebiet der „räumlichen Intelligenz“ erhöhen auch den Bedarf an Bildgebungstechnologien, die mehr informationsreiche Daten erfassen können und es uns ermöglichen, die Welt auf beispiellose Weise zu betrachten und zu verstehen.

Forschern der Purdue University ist ein Durchbruch bei der Weiterentwicklung der spektropolarimetrischen Bildgebung gelungen, indem sie die Bereiche neuartige optische Materialien und computergestützte Bildgebung zusammengeführt haben. Ihr Fortschritt verkörpert sich in der Entwicklung eines neuartigen Bildgebungsgeräts namens „Nonlocal-Cam“. veröffentlicht im Tagebuch eLight.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras, die RGB-Bilder aufnehmen, kann die Nonlocal-Cam zusätzliche Spektral- und Polarisationsinformationen extrahieren, die für herkömmliche Bildgebungssysteme bisher unzugänglich blieben. Die Arbeit des Teams eröffnet neue Wege für Anwendungen, die von maschinellem Sehen und Mikroskopen der nächsten Generation bis hin zu wärmeunterstützter Erkennung und Entfernungsmessung (HADAR) reichen.

Im Mittelpunkt der Innovation der Nonlocal-Cam steht ein neuer Mechanismus zur kompakten und effektiven Lichtstreuung. Streuung ist ein bekanntes Phänomen – etwa bei Regenbögen oder Isaac Newtons berühmtem Prisma-Experiment. Bei der konventionellen Dispersion wird weißes Licht in Spektralfarben aufgespalten, indem es durch ein dispersives Material wie einen Wassertropfen oder ein Glasprisma geleitet wird. Diese Art der Dispersion ist jedoch in transparenten Medien im Allgemeinen schwach und „beugt“ lediglich das Licht, was zu einer Farb- (oder Wellenlängen-)Trennung im räumlichen Bereich führt. Diese räumliche Trennung ist für bildgebende Anwendungen nicht ideal geeignet.

Die Nonlocal-Cam behebt diese Einschränkung, indem sie eine Eigenschaft nutzt, die als „nichtlokale Dispersion“ der optischen Aktivität bekannt ist. Unter optischer Aktivität versteht man das Phänomen, dass sich die Polarisation des Lichts dreht, wenn es bestimmte Materialien durchdringt. Dieser Effekt ergibt sich im Wesentlichen aus der „Nichtlokalität“ optisch aktiver Materialien, bei denen der Brechungsindex mit dem Impuls des Lichts variiert. Insbesondere haben die Forscher gezeigt, dass diese Polarisationsdrehung immer stark von der Wellenlänge des Lichts abhängt, was eine Farbtrennung im Polarisationsbereich und nicht im räumlichen Bereich ermöglicht.

„Unsere Nonlocal-Cam vereint die Bereiche nichtlokale Elektrodynamik und rechnergestützte Bildgebung und ermöglicht es uns, verborgene Informationen über das Spektrum und die Polarisation des Lichts zu erfassen“, erklärt der leitende Forscher Xueji Wang.

Die Kamera basiert auf einem einfachen, robusten Design unter Verwendung von α-Quarzkristallen – einem der am häufigsten vorkommenden und erschwinglichsten Materialien – und ist somit kostengünstig und für verschiedene praktische Anwendungen skalierbar. Durch die Nutzung fortschrittlicher Rechentechniken erreicht die Nonlocal-Cam eine hohe spektrale Auflösung mit minimalen Hardwareanforderungen und bleibt gleichzeitig robust gegenüber Rauschen und Messfehlern.

Das Team demonstrierte die Fähigkeit der Kamera, Bilder in Labor- und Außenumgebungen aufzunehmen, und zeigte ihr Potenzial für Anwendungen wie physikgesteuerte Bildverarbeitung und hochpräzise Bildgebung unter extremen Bedingungen.

Am wichtigsten ist, dass die Forscher gezeigt haben, dass die nichtlokale Streuung der optischen Aktivität – die Grundlage des Designs der Nonlocal-Cam – universell ist. Dieses Phänomen erstreckt sich über das gesamte Spektrum von Ultraviolett bis Infrarot und kann durch die Auswahl geeigneter Materialien genutzt werden, was die Nonlocal-Cam zu einem vielseitigen Werkzeug für anspruchsvolle Bildgebungsanwendungen macht.

Prof. Zubin Jacob, der Teamleiter der Studie, betont das Zukunftspotenzial der Technologie: „Diese Arbeit ebnet den Weg für neue Bildgebungsgeräte, die Bereiche revolutionieren könnten, die detaillierte Spektral- und Polarisationsdaten erfordern. Von der Umweltüberwachung bis zur fortschrittlichen Mikroskopie, der Nonlocal-Cam.“ bietet eine neue Dimension der Informationserfassung.“