Freie Sicht durch opake Materialien

  • 08. November 2012

Mithilfe eines Computeralgorithmus lassen sich detailgetreue Bilder von Objekten aufnehmen, die hinter einer opaken, stark streuenden Schicht verborgen sind.

Materialien wie Haut, Papier und Mattglas erscheinen opak, weil sie das Licht streuen. Durch solche Materialien bewegt sich Licht nicht in gerader Linie, sondern auf einem nicht vorhersehbaren, zufälligen Weg, was es unmöglich macht, Objekte, die sich hinter ihnen verbergen, klar zu sehen. Um dies dennoch zu erreichen sind Methoden entwickelt worden, die Bilder auf der Grundlage des winzigen Teils des Lichtes aufnehmen, das das Material ohne Streuung passiert. Bis dato war es unmöglich Bilder auf Grundlage vollständig gestreuten Lichtes zu erzeugen.

Abb.: (a) Der griechische Buchstabe Pi wurde mit einem stark streuenden Mattglas-Diffusor abgedeckt. (b) Ein Punkt des Diffusors wurde dann von einem Laserstrahl unter verschiedenen Winkeln beleuchtet. (c) Die Intensität dieser Fluoreszenz wurde in Abhängigkeit vom Beleuchtungswinkel des Laserstrahls gemessen und per Computer aufgezeichnet. (d) Der Computer suchte dann nach Ähnlichkeiten im gemessenen Muster, die dazu benutzt wurden, die wahre Gestalt des Objekts zu berechnen. (Bild: J. Bertolotti et al., Nature)

Abb.: (a) Der griechische Buchstabe π wurde mit einem stark streuenden Mattglas-Diffusor abgedeckt. (b) Ein Punkt des Diffusors wurde dann von einem Laserstrahl unter verschiedenen Winkeln beleuchtet. (c) Die Intensität dieser Fluoreszenz wurde in Abhängigkeit vom Beleuchtungswinkel des Laserstrahls gemessen und per Computer aufgezeichnet. (d) Der Computer suchte dann nach Ähnlichkeiten im gemessenen Muster, die dazu benutzt wurden, die wahre Gestalt des Objekts zu berechnen. (Bild: J. Bertolotti et al., NPG)


Einem Team am MESA+ Institut der Universität Twente in den Niederlanden ist nun genau dies gelungen. Unter Leitung von Allard Mosk haben die Forscher einen Mattglas-Diffusor mit einem Laserstrahl unter verschiedenen Winkeln beleuchtet. Gleichzeitig wurde mit Hilfe eines Computers die Menge Licht aufgezeichnet, die von einem hinter dem Diffusor verborgenem, winzigem Objekt zurückgeworfen wurde. Mosk erklärt: „Das gemessene Licht kann nicht unmittelbar verwendet werden um ein Bild aufzunehmen. Diese Information ist zwar vorhanden, aber völlig durcheinander.“

Die zwei jungen Wissenschaftler, die nun Erstautoren der Studie sind, hatten die Idee herauszufinden, ob diese durcheinander gebrachte Information ausreicht, um das Bild zu rekonstruieren – und sie haben einen Weg gefunden dies zu tun. Ihre Methode beinhaltet ein Computerprogramm das zunächst eine Annahme über die fehlende Information macht, diese dann testet und die Annahme dann Schritt für Schritt anpasst. Ihnen ist es gelungen ein Bild eines verborgenen, fluoreszierenden Objektes von nur 50 Mikrometern Größe – der Dimension einer typischen Zelle – zu machen.

Die Wissenschaftler erwarten, dass ihre Arbeit zur Entwicklung neuer Mikroskope führt, die in der Lage sind gestochen scharfe Bilder in einem stark streuendem Umfeld zu machen. Allard Mosk bemerkt: „Dies wird sich als sehr nützlich für die Nanotechnologie erweisen. Wir möchten Strukturen ans Licht bringen, die in einer komplexen Umgebung wie einem Computerchip verborgen sind.“ Außerdem träumen sie davon ihre Methode so weiterzuentwickeln, dass Objekte unter der menschlichen Haut untersucht werden können. „Im Moment jedoch“ sagt Mosk, “ist unsere Methode noch zu langsam für so etwas.“

U. Twente / PH

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