Fotografieren durch undurchsichtige Objekte

Es ist der Traum von Spooks und Teenagern gleichermaßen: wie man durch undurchsichtige Objekte fotografiert.

Das war schon immer unmöglich, weil Licht beim Durchgang durch ein undurchsichtiges Medium so stark gestreut wird, dass es unmöglich ist, das Originalbild zu rekonstruieren. Das hatten wir zumindest gedacht.

Heute zeigen Sebastian Popoff und seine Kumpels vom Langevin-Institut in Paris, wie es mit mathematischen Tricks geht.

Schicken Sie einen Laserstrahl durch ein undurchsichtiges Medium und alles, was Sie auf der anderen Seite erhalten, ist Speckle: Der Strahl wurde scheinbar zufällig gemischt, während er herumspringt und im Material interferiert.

Popoff und Co weisen jedoch darauf hin, dass die Mehrfachstreuung, wie komplex dieser Prozess auch sein mag, letztendlich deterministisch ist. Bei der Streuung des Lichts gehen eigentlich keine Informationen verloren. Das heißt, man sollte die Informationen extrahieren können, die Frage ist nur wie. Der Ansatz von Popoff und seinen Freunden besteht darin, sich das gesprenkelte Muster als ein Bild vorzustellen, das durch eine große Anzahl komplizierter optischer Kanäle übertragen wurde. Bei der Rekonstruktion des Bildes geht es dann darum, es so zu bearbeiten, dass die Wirkung dieser Kanäle umgekehrt wird.

Aber wie findet man einen solchen Operator, die Transmissionsmatrix, wie Popoff und Co sie nennen?

Einfach, sagen sie. Schicken Sie einfach mehrere bekannte Wellenfronten durch das Material und zeichnen Sie auf, wie sie verzerrt sind. Aus der Differenz der projizierten und der transmittierten Wellenfront kann dann die Transmissionsmatrix abgeleitet werden. Dieser Vorgang dauert nur wenige Minuten, heißt es.

Und genau das haben sie getan, indem sie einen räumlichen Lichtmodulator verwendet haben, um geeignete Wellenfronten und Bilder zu erzeugen, die durch eine undurchsichtige Schicht aus Zinkoxid auf einem Glasobjektträger gesendet werden können.

Die Zinkoxidschicht verwandelt jedes Bild in scheinbar zufällige Flecken. Popoff und Co rekonstruieren dann das Original unter Verwendung der Transmissionsmatrix (oder eigentlich deren Umkehrung).

Es gibt noch eine weitere zusätzliche Komplexität: Rauschen. Es stellt sich heraus, dass Rauschen die Übertragungsmatrix signifikant verändert, sodass selbst kleine Mengen den Rekonstruktionsprozess ruinieren.

Um dies zu umgehen, beleuchten Popoff und Co das abzubildende Objekt mit mehreren unterschiedlichen Wellenfronten und messen jeweils die Transmissionsmatrix. Dies entspricht dem Senden von Licht durch mehrere verschiedene Streukanäle und funktioniert wie eine Art Mittelungsprozess, der den Effekt von Rauschen aufhebt.

Das ist eine interessante Arbeit, die von Techniken inspiriert wurde, die es schon seit einiger Zeit in der Akustik gibt. Ein Mitglied des Teams ist Mathias Fink, der in den 90er Jahren zeitumgekehrte akustische Spiegel erfunden hat.

Die Frage ist nun, wofür dieses Gerät verwendet werden soll. Es hat einige Einschränkungen, die offensichtlichste ist, dass zumindest etwas Licht durch das Material gehen muss, damit die Technik funktioniert. Alles, was Licht vollständig absorbiert, ist immer noch undurchsichtig, so dass Teenager, die hoffen, ins Schlafzimmer zu blicken, enttäuscht sein werden. Das Material muss auch linear sein, was bestimmte Klassen eher seltsamer Materialien ausschließt.

Ansonsten geht alles. Und natürlich sollte es sowohl für reflektierte als auch für durchgelassene Bilder funktionieren. So könnte es eine gewöhnliche Wand in einen perfekten Spiegel verwandeln. Mattierte Fenster können nie wieder privat sein.
Ref: arxiv.org/abs/1005.0532 : Bildübertragung durch ein undurchsichtiges Material verbergen