Физики упростили голографию

Голография — техника записи информации с использованием интерференции волн. Больше всего известна оптическая голография. В ней с помощью световых волн создают голограммы — трехмерные изображения. В отличие от фотографии, голография фиксирует не только амплитуду, но и фазу световой волны, что и позволяет сохранить картину в объеме.

Голографию применяют для работы с сильно рассеивающими средами, например биологическими тканями и горными породами, для которых многие обычные методы визуализации теряют эффективность.

«Путеводная звезда» (guide star) — точка отсчета или источник света, используемый для калибровки системы и коррекции искажений, возникающих при прохождении света через сложные или рассеивающие среды. Без путеводной звезды точность визуализации снижается. Более того, получение голографического изображения обычно требует использования системы лазеров с точно известными параметрами освещения объекта.

Группа израильских физиков Ори Кац (Ori Katz), Омри Хаим (Omri Haim) и Джереми Богер-Ломбард (Jeremy Boger-Lombard) представила новый вычислительный метод построения изображения на основе голографии. Предложенная ими техника улучшает и упрощает возможности оптической визуализации через плотные среды благодаря вычислительному моделированию экспериментов по управлению волновым фронтом.

В работе предложен подход, не требующий использования «путеводных звезд» (guide-star-free), что устраняет необходимость в пространственных световых модуляторах с высоким разрешением (spatial light modulators, SLM) и в многочисленных измерениях. Это делает возможным получение изображений через сложные рассеивающие среды с беспрецедентной скоростью и точностью.

Новая техника позволяет одновременно оптимизировать несколько «виртуальных SLM», что, в свою очередь, позволяет системе восстанавливать качественные изображения без необходимости получать предварительную информацию об объекте построения изображения или характере рассеяния.

Метод обеспечивает высокую универсальность и гибкость. Исследователи смогли скорректировать более 190 тысяч рассеивающих мод — отдельных путей распространения света в материале, используя всего 25 голографически захваченных полей рассеянного света, полученных при неизвестных по параметрам случайных освещениях. Метод можно применять к разным видам визуализации, включая эпи-освещение, многократную коррекцию рассеивающих слоев и эндоскопию без использования линз.

Новый подход в технологии визуализации, который позволяет получать изображения с высоким разрешением через сильно рассеивающие среды с в десятки раз меньшим числом измерений, чем в современных методах, без необходимости в предварительной информации о цели или дорогом оборудовании.

Исследователи уверены, что метод найдет применение в различных областях: биологической визуализации тканей, эндоскопии с использованием многожильного оптоволокна и акусто-оптической томографии, геофизике, радиолокации и медицинском ультразвуке. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.