Schnelle, vielseitige Lösungen für komplexe Bildgebungsherausforderungen

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Eine Studie von Forschern des Instituts für Angewandte Physik der Hebräischen Universität Jerusalem, veröffentlicht in Naturphotonikstellt eine neue Methode zur nicht-invasiven hochauflösenden Bildgebung durch stark streuende Medien vor.

Das Team unter der Leitung von Prof. Ori Katz, Omri Haim und Jeremy Boger-Lombard stellt eine holographiebasierte Rechentechnik vor, die zentrale Herausforderungen im Bereich der optischen Bildgebung angeht und neue Türen für Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie der medizinischen Bildgebung und der autonomen Bildgebung öffnet Fahrzeuge und Mikroskopie.

Die Studie führt einen leitsternfreien Ansatz ein, der herkömmliche Werkzeuge wie hochauflösende räumliche Lichtmodulatoren (SLMs) oder umfangreiche Messungen überflüssig macht und es ermöglicht, Bilder durch komplexe Streumedien mit beispielloser Geschwindigkeit und Präzision zu erstellen. Durch die rechnerische Emulation von Wellenfrontformungsexperimenten optimiert diese neue Technik mehrere „virtuelle SLMs“ gleichzeitig und ermöglicht es dem System, qualitativ hochwertige Bilder zu rekonstruieren, ohne dass vorherige Informationen über das Ziel oder Streumuster erforderlich sind.

Zu den wichtigsten Erfolgen gehören:

  • Hohe Vielseitigkeit und Flexibilität: Mit dieser Methode können über 190.000 Streumoden mithilfe von nur 25 holografisch erfassten Streulichtfeldern korrigiert werden, die unter unbekannten Zufallsbeleuchtungen erhalten wurden. Die neue Technik bietet Flexibilität bei verschiedenen Bildgebungsmodalitäten, einschließlich Auflichtbeleuchtung, mehrfach konjugierter Korrektur von Streuschichten und linsenloser Endoskopie.
  • Reduzierter Rechen- und Speicherbedarf: Im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken, die die Berechnung ganzer Reflexionsmatrizen erfordern, reduziert dieser innovative Ansatz die Speicherzuweisung drastisch und beschleunigt den Bildgebungsprozess, was eine schnellere und effektivere Korrektur komplexer Streuungen ermöglicht.
  • Bereichsübergreifende Anwendungen: Die Studie zeigt das Potenzial dieser Technik für die Anwendung in verschiedenen Bereichen, einschließlich der biologischen Gewebebildgebung, der Multicore-Faserendoskopie und sogar der akusto-optischen Tomographie. Auch in Bereichen wie Geophysik, Radar und medizinischem Ultraschall verspricht die Methode Lösungen zu bieten.

    • „Wir freuen uns, einen neuen Ansatz in der Bildgebungstechnologie vorstellen zu können, der eine hochauflösende Bildgebung durch stark streuende Medien mit um Größenordnungen geringeren Messungen als beim Stand der Technik ermöglicht, ohne dass Vorkenntnisse über das Ziel oder teure Ausrüstung erforderlich sind.“ sagt Prof. Katz. „Diese Innovation verlagert die Herausforderung von der physischen Hardware auf die rechnerische Optimierung und bietet eine natürlich parallelisierbare Lösung, die in vielen Bereichen angewendet werden kann.“

    Die Forschung hat das Potenzial, Schlüsselbereiche wissenschaftlicher Studien und praktischer Anwendungen zu verändern und eine schnelle, nicht-invasive und äußerst anpassungsfähige Lösung für die Bildgebung in komplexen Umgebungen anzubieten. Das Team erkundet bereits zukünftige Richtungen, einschließlich der Optimierung der Methode für kontinuierliche volumetrische Proben wie dickes biologisches Gewebe und einer weiteren Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Hologramme.

    Weitere Informationen:
    Bildgesteuerte rechnergestützte holographische Wellenfrontformung, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01544-6

    Zur Verfügung gestellt von der Hebräischen Universität Jerusalem

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