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

La luz es una herramienta poderosa para medir el mundo. Cuando los científicos quieren conocer la forma exacta de una superficie, a menudo utilizan una técnica llamada holografía digital. Este método funciona dividiendo un haz de láser en dos trayectorias: uno rebota en el objeto que se estudia, y el otro recorre una ruta separada antes de recombinarse. Donde los dos haces se encuentran, crean un patrón de interferencia, un mapa complejo de líneas claras y oscuras que codifica la altura y la textura de la superficie con una precisión increíble. Debido a que las ondas de luz son tan sensibles, esta técnica puede detectar cambios de altura menores que el ancho de un solo átomo. Sin embargo, esta extrema sensibilidad es también su mayor debancia. En cualquier sistema óptico, la luz rara vez viaja en una línea perfectamente recta. Rebota en lentes, ventanas y en la parte posterior de portaobjetos de vidrio, creando reflexiones no deseadas que se mezclan con la señal del objeto. Estas reflexiones "parásitas" actúan como la estática en una radio, creando patrones fantasmales que distorsionan la imagen final y hacen imposible la medición precisa.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Stuttgart y Carl Zeiss AG ha desarrollado una nueva forma de silenciar esta estática sin perder la claridad de la medición. Combinaron una técnica llamada iluminación de speckle (moteado) con un método que utiliza múltiples colores de luz. En lugar de proyectar un haz de luz suave y uniforme sobre un objeto, utilizaron un difusor especial para desordenar la luz en un patrón caótico y granulado conocido como campo de speckle. Al cambiar este patrón rápidamente muchas veces y promediar los resultados, pudieron aislar matemáticamente la superficie real del objeto mientras cancelaban las reflexiones no deseadas de otras superficies. Este enfoque les permite medir objetos grandes y complejos que se encuentran detrás de un vidrio o que tienen texturas rugosas, logrando un nivel de claridad que antes estaba fuera del alcance de este tipo de tecnología.

El núcleo del problema reside en cómo se comporta la luz cuando se refleja en múltiples superficies. Imagine mirar una moneda a través de un trozo grueso de vidrio. La luz rebota en la parte frontal del vidrio, luego en la parte posterior del vidrio y finalmente en la moneda misma. En una configuración láser estándar, todas estas reflexiones llegan a la cámara al mismo tiempo, interfiriendo entre sí y creando un lío confuso de ondas que ocultan las características reales de la moneda. Los intentos previos para solucionar esto consistieron en utilizar fuentes de luz con longitudes de coherencia muy cortas, como los diodos emisores de luz (LED), pero esto limitaba la profundidad del objeto que podía medirse. Los investigadores necesitaban una forma de mantener las capacidades de medición de largo alcance de los láseres mientras filtraban el ruido de las reflexiones adicionales.

Para resolver esto, el equipo utilizó un truco basado en el comportamiento único de los patrones de speckle. Cuando la luz pasa a través de un difusor, crea una textura aleatoria y granulada. Esta textura es altamente específica de la distancia exacta que recorre la luz. Si la luz se refleja en una superficie que está ligeramente más cerca o más lejos que el objeto principal, el patrón de speckle que transporta se verá completamente diferente al patrón del objeto principal. Los investigadores configuraron un experimento donde registraron cientos de hologramas de un objeto, desplazando el difusor ligeramente cada vez para crear un nuevo y único patrón de speckle. Luego utilizaron una medición de referencia de un espejo perfecto para calibrar cada una de estas imágenes. Cuando combinaron matemáticamente todas estas imágenes, la señal del objeto principal, que se mantenía constante en relación con la referencia, se sumó para volverse clara y fuerte. Las señales de las reflexiones no deseadas, sin embargo, cambiaban aleatoriamente con cada nuevo patrón. Debido a que estaban desincronizadas con el objeto principal, se cancelaron entre sí, desvaneciéndose en el fondo como el ruido en una habitación concurrida.

Los investigadores probaron este método en varios escenarios desafiantes. Primero, observaron un portaobjetos estándar, un trozo delgado de vidrio que naturalmente refleja la luz tanto de su superficie frontal como de la posterior. Usando un haz de láser suave, la reflexión de la superficie posterior creó franjas muy llamativas que arruinaron la imagen. Cuando cambiaron a su nuevo método de speckle y promediaron 100 patrones diferentes, estas franjas desaparecieron, dejando una vista limpia de la superficie frontal. Descubrieron que la efectividad de esta limpieza dependía de qué tan "granulada" se hiciera la luz; un patrón más fino y caótico suprimía mejor el ruido. En su mejor configuración, redujeron el ruido en la imagen en un factor de seis en comparación con el método estándar.

Después, pasaron a un objeto más complejo: una moneda de cinco centavos colocada detrás de un cubreobjetos. La moneda tiene una superficie rugosa e irregular con letras y diseños en relieve. El cubreobjetos añadió una capa de reflexión no deseada que, con la iluminación estándar, oscurecía por completo los detalles de la moneda, convirtiendo la imagen en un torbellino caótico de errores. Con la nueva técnica de speckle, la moneda emergió claramente. Los investigadores midieron la altura de la superficie de la moneda y encontraron que el ruido cayó de más de 54 micrómetros a solo 5 micrómetros. Esto significó que los detalles finos de la moneda, que antes estaban ocultos, ahora podían verse y medirse con alta precisión. El método preservó con éxito los bordes afilados de los números en relieve mientras eliminaba la interferencia fantasmagórica del vidrio.

Finalmente, el equipo demostró que esta técnica podía medir objetos que abarcan una gran distancia. Colocaron tres bloques de metal a diferentes alturas, separados por brechas de unos 10 milímetros, creando un rango de medición total de más de 20 milímetros. Colocaron un cubreobjetos frente a los bloques para introducir las mismas reflexiones parásitas. Con un solo enfoque de cámara, no podían ver los tres bloques claramente a la vez. Sin embargo, debido a que la holografía digital permite el "refocalizado numérico", pudieron desplazar computacionalmente el enfoque a cada bloque uno por uno. El método de speckle aseguró que, al enfocar un bloque, las reflexiones del cubreobjetos y de los otros bloques fueran suprimidas. Al combinar mediciones tomadas en ocho longitudes de onda láser diferentes, pudieron unir los datos en un único mapa 3D continuo. El resultado final mostró los tres bloques en sus posiciones exactas conocidas, con un error de solo dos micrómetros, demostrando que el método puede manejar objetos de múltiples niveles sin necesidad de escaneo mecánico.

El éxito de este trabajo depende de un equilibrio delicado. Los investigadores tuvieron que asegurar que los patrones de speckle fueran lo suficientemente diferentes como para cancelar el ruido, pero lo suficientemente similares como para preservar los detalles del objeto. Descubrieron que el uso de un rango específico de patrones de luz les permitió suprimir las reflexiones no deseadas de superficies que estaban a más de un milímetro de distancia, manteniendo al mismo tiempo la imagen de la superficie objetivo nítida. Este enfoque no requiere mover la cámara o el objeto, ni requiere cambiar la fuente de luz por una menos potente. En su lugar, utiliza la matemática del promedio para separar la señal del ruido. Aunque el proceso requiere capturar miles de imágenes, lo que toma tiempo, abre la puerta a medir objetos complejos del mundo real que anteriormente eran demasiado difíciles de analizar con herramientas ópticas de alta precisión. El resultado es un método robusto para ver la forma real de las cosas, incluso cuando están ocultas detrás de un vidrio o rodeadas de reflexiones confusas.