Bell Labs erfindet linsenlose Kamera

Das traditionelle, mindestens 150 Jahre alte Bildgebungsverfahren beruht auf einer Linse zur Bilderzeugung und einem Gerät zur Aufnahme von Photonen wie einem Pixelarray, einem lichtempfindlichen Film oder sogar einer Netzhaut.

Aber eine dramatische Revolution, die derzeit die Welt der Bildgebung im Sturm erobert, bedeutet, dass sich dies bald ändern könnte.

Diese Revolution basiert auf einer Technik namens Compressive Sensing, die auf der Idee basiert, dass viele gängige Messungen eine enorme Redundanz aufweisen. Das bedeutet, dass es möglich ist, die gleichen Daten mit nur einem Bruchteil sorgfältig ausgewählter Messungen zu erhalten.

Der Trick besteht natürlich darin, zu wissen, welche Messungen vorgenommen werden müssen und wie man sie wieder zusammenbaut. Verschiedene Teams haben mit dieser Idee aufgeregt experimentiert. Bereits im Januar haben wir uns beispielsweise eine Gruppe angesehen, die auf diese Weise 3-D-Bilder mit einem einzigen Pixel erstellt hat.

Heute gewinnt diese Revolution an Tempo, weil Gang Huang und Freunde von Bell Labs in New Jersey sagen, dass sie Compression Sensing verwendet haben, um eine Kamera zu bauen, die kein Objektiv benötigt und nur ein einziges Sensorpixel verwendet, um Fotos zu machen. Darüber hinaus sind die Bilder dieser Kamera nie unscharf.

Das neue Gerät ist einfach in der Natur. Die Architektur besteht aus zwei Komponenten, einer Blendenbaugruppe und einem Sensor. Es wird kein Objektiv verwendet, sagen Huang und Co. Es besteht aus einem LCD-Panel, das als eine Reihe von Öffnungen fungiert, die jeweils Licht durchlassen, und einem einzigen Sensor, der Licht in drei Farben erkennen kann.

Jede Öffnung in der LCD-Anordnung ist einzeln adressierbar und kann daher offen sein, um Licht durchzulassen, oder geschlossen werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Art der Abbildung besteht darin, dass die Anordnung von offenen und geschlossenen Öffnungen zufällig sein muss.

Der Prozess der Erstellung eines Bildes ist einfach. Es beginnt damit, dass der Sensor das Licht der Szene aufzeichnet, das durch eine zufällige Anordnung von Öffnungen im LCD-Panel hindurchgegangen ist. Es zeichnet dann das Licht von einem anderen zufälligen Array und dann einem anderen auf und so weiter.

Obwohl scheinbar zufällig, ist jeder dieser Schnappschüsse korreliert, weil sie dieselbe Szene auf unterschiedliche Weise aufnehmen. Und dies ist der Schlüssel, den das Team verwendet, um ein Bild wieder zusammenzusetzen. Der Prozess der komprimierenden Abtastung analysiert die Daten und sucht nach dieser Korrelation, die dann verwendet wird, um das Bild neu zu erstellen.

Je mehr Schnappschüsse gemacht werden, desto besser wird das Bild. Aber es ist möglich, mit nur einem winzigen Bruchteil der Daten, die ein herkömmliches Bild benötigt, ein ziemlich gutes Bild zu erstellen.

Zum Beispiel hat das Bell Labs-Team das Bild der Bücher (oben) mit nur einem Viertel der Daten aufgenommen, die es hätte aufnehmen können.

Je weniger Details die Szene enthält, desto weniger Daten werden benötigt, um sie zu rekonstruieren.

Diese revolutionäre linsenlose Kamera hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer herkömmlichen Kamera. Erstens ist die winzige Datenmenge erforderlich, um Bilder zu erstellen. Ohne Objektiv erleiden diese Bilder keine der Aberrationen und Fokussierungsprobleme, die mit Objektiven verbunden sind. Die Szene ist vollständig scharfgestellt und die Auflösung des Bildes hängt von der Größe und Anzahl der Blenden und der punktförmigen Beschaffenheit des Lichtsensors ab.

Durch die Verwendung von zwei Sensoren hinter demselben Blendenarray ist es möglich, gleichzeitig zwei verschiedene Bilder der Szene zu erstellen. Tatsächlich erzeugen mehrere Sensoren mehrere Bilder.

Außerdem ist das Gerät einfach und günstig. Huang und seine Freunde bauten ihren Prototypen aus billigen Standardkomponenten, auf die jeder Zugriff hatte.

Das Beste daran ist, dass der gleiche Ansatz für andere Lichtwellenlängen wie Infrarot- und Millimeterwellen funktioniert. Es sollte also möglich sein, auch für diese Wellenlängen relativ günstige Kameras herzustellen.

Der Nachteil besteht, zumindest im Moment, darin, dass es Zeit braucht, die Daten für jedes Bild zu erfassen. Die Kamera erstellt also nur Bilder von Standbildern.

Aber auch das ist für die Überwachung sinnvoll, da es möglich ist, aufeinanderfolgende Bilder derselben Szene zu vergleichen, um Veränderungen festzustellen oder die Geschwindigkeit von bewegten Objekten zu ermitteln.

Das ist eine beeindruckende Arbeit, die weitreichende Konsequenzen für die Art und Weise haben wird, wie wir die Welt um uns herum aufnehmen. Erwarten Sie in naher Zukunft noch viel mehr über Compressive Imaging oder Ghost Imaging, wie es manchmal genannt wird.

Es ist auch interessant zu sehen, wie Bell Labs wieder auf die Beine kommt. Dies ist eine Organisation mit einer ehrwürdigen Geschichte, aber einer turbulenten jüngeren Vergangenheit. Bei solchen Fortschritten besteht immer die Möglichkeit, etwas von seinem früheren Glanz zurückzuerlangen.

Ref: arxiv.org/abs/1305.7181 : Linsenlose Bildgebung durch Compressive Sensing

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