Gli ingegneri della Duke University hanno sviluppato un metodo per estrarre un'immagine a colori da una singola esposizione di luce diffusa attraverso un materiale per lo più opaco. La tecnica ha applicazioni in un'ampia gamma di campi, dalla sanità all'astronomia.

Lo studio è apparso online il 9 luglio sulla rivista ottica .

"Altri sono stati in grado di ricostruire immagini a colori da luce diffusa, ma quei metodi dovevano sacrificare la risoluzione spaziale o richiedere una caratterizzazione preventiva dello scatterer in anticipo, che spesso non è possibile, " ha detto Michael Gehm, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Ma il nostro approccio evita tutti questi problemi".

Quando la luce viene dispersa mentre passa attraverso un materiale traslucido, il modello emergente di "macchioline" appare casuale come statico su uno schermo televisivo senza segnale. Ma non è casuale. Poiché la luce proveniente da un punto di un oggetto percorre un percorso molto simile a quello della luce proveniente da un punto adiacente, il motivo a macchioline di ciascuno sembra molto lo stesso, appena spostato leggermente.

Con abbastanza immagini, gli astronomi usavano questo fenomeno di "effetto memoria" per creare immagini più chiare del cielo attraverso un'atmosfera turbolenta, purché gli oggetti che vengono ripresi fossero sufficientemente compatti.

Mentre la tecnica è caduta in disgrazia con lo sviluppo dell'ottica adattiva, che fanno lo stesso lavoro utilizzando specchi regolabili per compensare la dispersione, recentemente è diventato di nuovo popolare. Poiché le fotocamere moderne possono registrare centinaia di milioni di pixel alla volta, è necessaria solo una singola esposizione per far funzionare le statistiche.

Mentre questo approccio può ricostruire un'immagine sparsa, ha limitazioni nel regno del colore. I modelli di macchiolina creati da diverse lunghezze d'onda sono in genere impossibili da districare l'uno dall'altro.

Il nuovo approccio di imaging con effetto memoria sviluppato dagli autori Xiaohan Li, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Gehm, Joel Greenberg, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, e Gehm rompe questa limitazione.

Il trucco è usare un'apertura codificata seguita da un prisma. Un'apertura codificata è fondamentalmente un filtro che consente alla luce di passare attraverso alcune aree ma non altre secondo uno schema specifico. Dopo che la macchiolina è "timbrata" dall'apertura codificata, passa attraverso un prisma che fa sì che diverse frequenze di luce si diffondano l'una dall'altra.

Ciò fa sì che il modello dall'apertura codificata si sposti leggermente rispetto all'immagine catturata dal rivelatore. E la quantità che si sposta è direttamente correlata al colore della luce che attraversa.

"Questo cambiamento è piccolo rispetto alla dimensione complessiva di ciò che viene ripreso, e poiché il nostro rilevatore non è sensibile al colore, crea una combinazione disordinata, " ha detto Li. "Ma lo spostamento è sufficiente per dare al nostro algoritmo un punto d'appoggio per prendere in giro i singoli modelli di macchioline a parte ogni colore, e da questo possiamo capire come appare l'oggetto per ogni colore."

I ricercatori mostrano che, concentrandosi su cinque canali spettrali corrispondenti al viola, verde e tre sfumature di rosso, la tecnica può ricostruire una lettera "H" piena di rosa sfumati, gialli e azzurri. Al di fuori di questa difficile dimostrazione di principio, i ricercatori ritengono che il loro approccio potrebbe trovare applicazioni in campi come l'astronomia e la sanità.

In astronomia, il contenuto di colore della luce proveniente da fenomeni astronomici contiene preziose informazioni sulla sua composizione chimica, e spesso si creano macchie quando la luce è distorta dall'atmosfera. Allo stesso modo in sanità, il colore può dire ai ricercatori qualcosa sulla composizione molecolare di ciò che viene ripreso, oppure può essere utilizzato per identificare le biomolecole che sono state contrassegnate con marcatori fluorescenti.

"Ci sono molte applicazioni in cui le persone vogliono davvero sapere quanta energia c'è in specifiche bande spettrali emesse da oggetti situati dietro occlusioni opache, " ha detto Greenberg. "Abbiamo dimostrato che questo approccio può raggiungere questo obiettivo attraverso lo spettro visibile. Conoscere il modello di apertura e quanto si sposta in funzione della lunghezza d'onda fornisce la chiave di cui abbiamo bisogno per districare la somma disordinata in canali separati".