2019-07-30 06:44:01
从散射光中恢复彩色图像

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杜克大学的工程师已经开发出一种方法,用于从通过大部分不透明材料散射的光的单次曝光中提取彩色图像。该技术应用于从医疗保健到天文学的广泛领域。

该研究于7月9日在Optica杂志上发表。

“其他人已经能够从散射光重建彩色图像,但这些方法必须提前牺牲空间分辨率或者需要事先对散射体进行表征,这通常是不可能的,”电气和计算机工程副教授Michael Gehm说。在杜克。 “但我们的方法避免了所有这些问题。”

当光线通过半透明材料时会散射,在没有信号的电视屏幕上,新出现的“散斑”图案看起来像静态一样随机。但这不是随意的。因为来自物体的一个点的光传播的路径非常类似于来自相邻点的光的路径,所以每个的散斑图案看起来非常相同,只是略微移动。

有足够的图像,天文学家过去常常使用这种“记忆效应”现象,通过湍流大气创造出更清晰的天空图像,只要被拍摄的物体足够紧凑。

虽然该技术不再受开发自适应光学器件的影响,自适应光学器件通过使用可调镜子来补偿散射而做同样的工作,但它最近再次流行起来。因为现代相机一次可以记录数亿个像素,所以只需要一次曝光就可以使统计工作。

虽然这种方法可以重建散射图像,但它在颜色领域存在局限性。由不同波长产生的散斑图案通常不可能彼此解开。

新的记忆效应成像方法由作者Xiaohan Li博士开发。 Gehm实验室的学生,电气和计算机工程副研究教授Joel Greenberg和Gehm突破了这一局限。

诀窍是使用编码孔径,然后使用棱镜。编码孔径基本上是允许光通过某些区域而不是特定图案中的其他区域的滤光器。在散斑被编码孔径“标记”之后,它穿过棱镜,该棱镜导致不同频率的光彼此扩散。

这使得来自编码孔径的图案相对于由检测器捕获的图像略微移位。它移动的量与穿过的光的颜色直接相关。

“与正在成像的整体尺寸相比,这种变化很小,而且由于我们的探测器对颜色不敏感,因此会产生混乱的组合,”Li说。 “但这种转变足以让我们的算法有一个立足点来挑逗除每种颜色之外的各个散斑图案,从中我们可以弄清楚每种颜色的物体是什么样的。”

研究人员表明,通过关注对应于紫色,绿色和三种红色的五个光谱通道,该技术可以重建一个充满细致粉红色,黄色和蓝色的字母“H”。除了这种困难的原理验证之外,研究人员相信他们的方法可以在天文学和医疗保健领域找到应用。

在天文学中,来自天文现象的光的颜色含量包含关于其化学成分的有价值的信息,并且通常在光被大气扭曲时产生斑点。类似地,在医疗保健中,颜色可以告诉研究人员关于被成像的分子组成的东西,或者它可以用于识别已经用荧光标记物标记的生物分子。

格林伯格说:“有许多应用,人们真正想知道在不透明遮挡物后面的物体发出的特定光谱带中有多少能量。” “我们已经证明,这种方法可以在可见光谱范围内实现这一目标。了解光圈模式以及它随波长变化的程度提供了我们需要将混乱的总和分解为单独通道的关键。”

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