Multi-Wavelength Speckle Illumination Digital Holography for Parasitic-Reflection Suppression and Macroscopic Topography Reconstruction

يُعد الضوء أداة قوية لقياس العالم. فعندما يريد العلماء معرفة الشكل الدقيق لسطح ما، غالبًا ما يستخدمون تقنية تُسمى الهولوغرافيا الرقمية. تعتمد هذه الطريقة على تقسيم شعاع الليزر إلى مسارين: أحدهما يرتد عن الجسم المراد دراسته، والآخر يسلك مسارًا منفصلًا قبل أن يلتقيا مجددًا. وعندما يلتقي الشعاعان، يشكلان نمط تداخل، وهو عبارة عن خريطة معقدة من الخطوط المضيئة والمظلمة التي تشفر الارتفاع وملمس السطح بدقة مذهلة. ولأن الموجات الضوئية حساسة للغاية، يمكن لهذه التقنية اكتشاف التغيرات في الارتفاع التي هي أصغر من عرض ذرة واحدة. ومع ذلك، فإن هذه الحساسية المفرطة هي أيضًا نقطة ضعفها الكبرى؛ ففي أي نظام بصري، نادرًا ما يسير الضوء في خط مستقيم تمامًا، إذ يرتد عن العدسات والنوافذ وظهر الشرائح الزجاجية، مما يخلق انعكاسات غير مرغوب فيها تختلط مع الإشارة القادمة من الجسم. تعمل هذه الانعكاسات "الطفيلية" مثل التشويش (الستاتيكية) في الراديو، حيث تخلق أنماطًا شبحية تشوه الصورة النهائية وتجعل القياس الدقيق مستحيلاً.

لقد طور فريق من الباحثين من جامعة شتوتغارت وشركة كارل تسيس AG طريقة جديدة لإسكات هذا التشويش دون فقدان وضوح القياس. فقد جمعوا بين تقنية تُسمى "إضاءة النمش" (speckle illumination) وطريقة تستخدم ألوانًا متعددة من الضوء. فبدلاً من تسليط شعاع ضوئي ناعم ومنتظم على الجسم، استخدموا مشتتًا خاصًا لتشتيت الضوء إلى نمط حبيبي فوضوي يُعرف باسم "حقل النمش". ومن خلال تغيير هذا النمط بسرعة مرات عديدة ومتوسط النتائج، تمكنوا رياضيًا من عزل السطح الحقيقي للجسم مع إلغاء الانعكاسات غير المرغوب فيها من الأسطح الأخرى. يسمح هذا النهج بقياس الأجسام الكبيرة والمعقدة التي تقع خلف الزجاج أو ذات الملامس الخشنة، محققًا مستوى من الوضوح كان بعيد المنال سابقًا لهذا النوع من التكنولوجيا.

يكمن جوهر المشكلة في كيفية سلوك الضوء عندما ينعكس عن أسطح متعددة. تخيل أنك تنظر إلى عملة معدنية من خلال قطعة سميكة من الزجاج؛ فالضوء يرتد عن مقدمة الزجاج، ثم عن خلفية الزجاج، وأخيرًا عن العملة نفسها. في إعداد الليزر القياسي، تصل كل هذه الانعكاسات إلى الكاميرا في نفس الوقت، مما يؤدي إلى تداخلها مع بعضها البعض وخلق فوضى مربكة من التموجات التي تحجب معالم العملة الفعلية. وقد تضمنت المحاولات السابقة لإصلاح ذلك استخدام مصادر ضوئية ذات أطوال تماسك قصيرة جدًا، مثل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs)، لكن هذا حد من عمق الجسم الذي يمكن قياسه. كان الباحثون بحاجة إلى طريقة تحافظ على قدرات القياس بعيدة المدى لليزر مع تصفية الضجيج الناتج عن الانعكاسات الإضافية.

ولحل هذه المعضلة، استخدم الفريق حيلة تعتمد على السلوك الفريد لأنماط النمش. فعندما يمر الضوء عبر مشتت، فإنه يخلق نسيجًا عشوائيًا وحبيبيًا. هذا النسيج محدد للغاية بالمسافة الدقيقة التي يقطعها الضوء. فإذا انعكس الضوء عن سطح يقع أقرب أو أبعد قليلاً من الجسم الرئيسي، فإن نمط النمش الذي يحمله سيبدو مختلفًا تمامًا عن النمط الموجود على الجسم الرئيسي. أقام الباحثون تجربة سجلوا فيها مئات الصور الهولوغرافية لجسم ما، مع تغيير المشتت قليلاً في كل مرة لإنشاء نمط نمش فريد وجديد. ثم استخدموا قياسًا مرجعيًا لمرآة مثالية لمعايرة كل صورة من هذه الصور. وعندما دمجوا هذه الصور رياضيًا، أصبحت الإشارة من الجسم الرئيسي، التي ظلت ثابتة بالنسبة للمرجع، تتجمع لتصبح واضحة وقوية. أما الإشارات من الانعكاسات غير المرغوب فيها، فقد تغيرت عشوائيًا مع كل نمط جديد، وبسبب عدم توافقها مع الجسم الرئيسي، ألغت بعضها البعض، وتلاشت في الخلفية مثل الضجيج في غرفة مزدحمة.

اختبر الباحثون هذه الطريقة في عدة سيناريوهات صعبة. أولاً، نظروا إلى شريحة مجهرية قياسية، وهي قطعة زجاج رقيقة تعكس الضوء طبيعيًا من سطحيها الأمامي والخلفي. باستخدام شعاع ليزر ناعم، خلقت انعكاسات السطح الخلفي أهدابًا (fringes) قوية ومشتتة أفسدت الصورة. ولكن عندما انتقلوا إلى طريقة النمش الجديدة وجمعوا متوسط 100 نمط مختلف، اختفت هذه الأهداب، تاركة رؤية نظيفة للسطح الأمامي. ووجدوا أن فعالية هذا التنظيف تعتمد على مدى "حبيبية" الضوء؛ فكلما كان النمط أكثر دقة وفوضوية، تم كبح الضجيج بشكل أفضل. وفي أفضل تكوين لديهم، قللوا الضجيج في الصورة بمقدار ستة أضعاف مقارنة بالطريقة القياسية.

بعد ذلك، انتقلوا إلى جسم أكثر تعقيدًا: عملة معدنية من فئة خمسة سنتات موضوعة خلف غطاء زجاجي (coverslip). تتميز العملة بسطح خشن وغير مستوٍ يحتوي على حروف وتصاميم بارزة. أضاف الغطاء الزجاجي طبقة من الانعكاس غير المرغوب فيه، والتي حولت الصورة باستخدام الإضاءة القياسية إلى دوامة فوضوية من الأخطاء. ومع تقنية النمش الجديدة، ظهرت العملة بوضوح. قاس الباحثون ارتفاع سطح العملة ووجدوا أن الضجيج انخفض من أكثر من 54 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر فقط. وهذا يعني أن التفاصيل الدقيقة للعملة، التي كانت مخفية سابقًا، يمكن الآن رؤيتها وقياسها بدقة عالية. نجحت الطريقة في الحفاظ على الحواف الحادة للأرقام البارزة مع إزالة التداخل الشبحي من الزجاج.

أخيرًا، أثبت الفريق أن هذه التقنية يمكنها قياس الأجسام التي تمتد عبر مسافات كبيرة. قاموا بترتيب ثلاث كتل معدنية على ارتفاعات مختلفة، تفصل بينها فجوات تبلغ حوالي 10 مليمترات، مما خلق نطاق قياس إجمالي يزيد عن 20 مليمترًا. وضعوا غطاءً زجاجيًا أمام الكتل لإدخال نفس نوع الانعكاسات الطفيلية. باستخدام تركيز كاميرا واحد، لم يكن بإمكانهم رؤية الكتل الثلاث بوضوح في آن واحد. ومع ذلك، نظرًا لأن الهولوغرافيا الرقمية تسمح بـ "إعادة التركيز الرقمي"، فقد استطاعوا حسابيًا نقل التركيز إلى كل كتلة واحدة تلو الأخرى. ضمنت طريقة النمش أنه عند التركيز على كتلة ما، يتم كبح الانعكاسات من الغطاء الزجاجي ومن الكتل الأخرى. ومن خلال دمج القياسات المأخوذة عند ثمانية أطوال موجية مختلفة لليزر، تمكنوا من حياكة البيانات معًا في خريطة ثلاثية الأبعاد واحدة مستمرة. أظهرت النتيجة النهائية الكتل الثلاث في مواقعها الدقيقة المعروفة، بهامش خطأ قدره ميكرومترا ٢ فقط، مما أثبت أن الطريقة يمكنها التعامل مع الأجسام متعددة المستويات الكبيرة دون الحاجة إلى المسح الميكانيكي.

يعتمد نجاح هذا العمل على توازن دقيق. فقد كان على الباحثين التأكد من أن أنماط النمش مختلفة بما يكفي لإلغاء الضجيج، ولكنها متشابهة بما يكفي للحفاظ على تفاصيل الجسم. ووجدوا أن استخدام نطاق محدد من الأنماط الضوئية سمح لهم بكبح الانعكاسات غير المرغوب فيها من الأسطح التي تبعد أكثر من مليمتر واحد، مع الحفاظ على حدة صورة السطح المستهدف. لا يتطلب هذا النهج تحريك الكاميرا أو الجسم، ولا يتطلب تغيير مصدر الضوء إلى مصدر أقل قوة. بدلاً من ذلك، يستخدم رياضيات المتوسط للفصل بين الإشارة والضجيج. وبينما تتطلب العملية التقاط آلاف الصور، مما يستغرق وقتًا، إلا أنها تفتح الباب لقياس الأجسام المعقدة في العالم الحقيقي التي كان من الصعب جدًا تحليلها باستخدام الأدوات البصرية عالية الدقة. والنتيجة هي طريقة قوية لرؤية الشكل الحقيقي للأشياء، حتى عندما تكون مخفية خلف الزجاج أو محاطة بانعكاسات مربكة.