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

La luce è uno strumento potente per misurare il mondo. Quando gli scienziati vogliono conoscere la forma esatta di una superficie, spesso utilizzano una tecnica chiamata olografia digitale. Questo metodo funziona dividendo un raggio laser in due percorsi: uno rimbalza sull'oggetto studiato, e l'altro percorre una rotta separata prima di essere ricombinato. Dove i due fasci si incontrano, creano un pattern di interferenza, una mappa complessa di linee chiare e scure che codifica l'altezza e la trama della superficie con incredibile precisione. Poiché le onde luminose sono così sensibili, questa tecnica può rilevare variazioni di altezza inferiori alla larghezza di un singolo atomo. Tuttavia, questa estrema sensibilità è anche il suo più grande punto debole. In qualsiasi sistema ottico, la luce raramente viaggia in linea perfettamente retta. Rimbalza su lenti, finestre e sul retro di vetrini, creando riflessioni indesiderate che si mescolano al segnale dell'oggetto. Queste riflessioni "parassite" agiscono come l'interferenza su una radio, creando pattern fantasma che distorcono l'immagine finale e rendono impossibile una misurazione accurata.

Un team di ricercatori dell'Università di Stoccarda e della Carl Zeiss AG ha sviluppato un nuovo modo per silenziare questa interferenza senza perdere la chiarezza della misurazione. Hanno combinato una tecnica chiamata illuminazione speckle con un metodo che utilizza diversi colori di luce. Invece di proiettare un fascio di luce liscio e uniforme sull'oggetto, hanno utilizzato un diffusore speciale per frammentare la luce in un pattern granuloso e caotico noto come campo speckle. Cambiando rapidamente questo pattern molte volte e mediando i risultati, sono riusciti a isolare matematicamente la vera superficie dell'oggetto, annullando al contempo le riflessioni indesiderate dalle altre superfici. Questo approccio consente loro di misurare oggetti grandi e complessi che si trovano dietro un vetro o che hanno trame rugose, raggiungendo un livello di chiarezza precedentemente fuori portata per questo tipo di tecnologia.

Il cuore del problema risiede nel modo in cui la luce si comporta quando riflette su più superfici. Immaginate di guardare una moneta attraverso un pezzo di vetro spesso. La luce rimbalza sul davanti del vetro, poi sul retro del vetro e infine sulla moneta stessa. In una configurazione laser standard, tutte queste riflessioni arrivano alla telecamera contemporaneamente, interferendo tra loro e creando un confuso groviglio di increspature che nasconde le caratteristiche reali della moneta. I tentativi precedenti per risolvere il problema consistevano nell'utilizzare sorgenti luminose con lunghezze di coerenza molto brevi, come i LED, ma ciò limitava la profondità dell'oggetto che poteva essere misurato. I ricercatori avevano bisogno di un modo per mantenere le capacità di misurazione a lungo raggio dei laser pur filtrando il rumore delle riflessioni extra.

Per risolvere il problema, il team ha utilizzato un trucco basato sul comportamento unico dei pattern speckle. Quando la luce passa attraverso un diffusore, crea una trama casuale e granulosa. Questa trama è altamente specifica rispetto alla distanza esatta percorsa dalla luce. Se la luce riflette su una superficie che si trova leggermente più vicina o più lontana rispetto all'oggetto principale, il pattern speckle che trasporta apparirà completamente diverso da quello dell'oggetto principale. I ricercatori hanno allestito un esperimento in cui hanno registrato centinaia di ologrammi di un oggetto, spostando ogni volta il diffusore leggermente per creare un nuovo, unico pattern speckle. Hanno poi utilizzato una misurazione di riferimento di uno specchio perfetto per calibrare ciascuna di queste immagini. Quando hanno combinato matematicamente tutte queste immagini, il segnale dell'oggetto principale, che rimaneva costante rispetto al riferimento, si è accumulato fino a diventare chiaro e forte. I segnali delle riflessioni indesiderate, invece, cambiavano casualmente con ogni nuovo pattern. Poiché erano fuori sincrono con l'oggetto principale, si sono annullati a vicenda, svanendo nello sfondo come il rumore in una stanza affollata.

I ricercatori hanno testato questo metodo in diversi scenari impegnativi. Per prima cosa, hanno osservato un normale vetrino da microscopio, un sottile pezzo di vetro che naturalmente riflette la luce sia dalla sua superficie anteriore che da quella posteriore. Utilizzando un fascio laser liscio, la riflessione della superficie posteriore creava frange forti e distraenti che rovinavano l'immagine. Quando sono passati al loro nuovo metodo speckle e hanno mediato 100 pattern differenti, queste frange sono scomparse, lasciando una visione pulita della superficie anteriore. Hanno scoperto che l'efficacia di questa pulizia dipendeva da quanto la luce fosse resa "granulosa"; un pattern più fine e caotico sopprimeva meglio il rumore. Nella loro migliore configurazione, hanno ridotto il rumore nell'immagine di un fattore sei rispetto al metodo standard.

Successivamente, si sono spostati su un oggetto più complesso: una moneta da cinque centesimi posta dietro un vetrino coprioggetto. La moneta ha una superficie ruvida e irregolare con lettere e disegni in rilievo. Il vetrino aggiungeva uno strato di riflessione indesiderata che, con l'illuminazione standard, oscurava completamente i dettagli della moneta, trasformando l'immagine in un vortice caotico di errori. Con la nuova tecnica speckle, la moneta è emersa chiaramente. I ricercatori hanno misurato l'altezza della superficie della moneta e hanno scoperto che il rumore era sceso da oltre 54 micrometri a soli 5 micrometri. Ciò significava che i dettagli fini della moneta, precedentemente nascosti, potevano ora essere visti e misurati con alta precisione. Il metodo ha preservato con successo i bordi netti dei numeri in rilievo, rimuovendo al contempo l'interferenza fantasma del vetro.

Infine, il team ha dimostrato che questa tecnica può misurare oggetti che si estendono su una grande distanza. Hanno disposto tre blocchi di metallo ad altezze diverse, separati da spazi di circa 10 millimetri, creando un intervallo di misurazione totale di oltre 20 millimetri. Hanno posto un vetrino coprioggetto davanti ai blocchi per introdurre lo stesso tipo di riflessioni parassite. Utilizzando la messa a fuoco di una singola telecamera, non era possibile vedere chiaramente tutti e tre i blocchi contemporaneamente. Tuttavia, poiché l'olografia digitale consente la "rifocalizzazione numerica", potevano spostare computazionalmente la messa a fuoco su ciascun blocco uno alla volta. Il metodo speckle ha garantito che, quando mettevano a fuoco un blocco, le riflessioni del vetrino e degli altri blocchi venissero soppresse. Combinando le misurazioni effettuate a otto diverse lunghezze d'onda laser, sono stati in grado di unire i dati in una singola mappa 3D continua. Il risultato finale mostrava i tre blocchi nelle loro esatte posizioni note, con un errore di soli due micrometri, dimostrando che il metodo può gestire oggetti multi-livello di grandi dimensioni senza la necessità di scansione meccanica.

Il successo di questo lavoro si basa su un delicato equilibrio. I ricercatori hanno dovuto garantire che i pattern speckle fossero abbastanza diversi da annullare il rumore, ma abbastanza simili da preservare i dettagli dell'oggetto. Hanno scoperto che l'utilizzo di un intervallo specifico di pattern luminosi permetteva di sopprimere le riflessioni indesiderate da superfici situate a più di un millimetro di distanza, mantenendo al contempo nitissima l'immagine della superficie bersaglio. Questo approccio non richiede di muovere la telecamera o l'oggetto, né richiede di cambiare la sorgente luminosa con una meno potente. Al contrario, utilizza la matematica della media per separare il segnale dal rumore. Sebbene il processo richieda la cattura di migliaia di immagini, il che richiede tempo, esso apre la porta alla misurazione di oggetti complessi del mondo reale che erano precedentemente troppo difficili da analizzare con strumenti ottici ad alta precisione. Il risultato è un metodo robusto per vedere la vera forma delle cose, anche quando sono nascoste dietro il vetro o circondate da riflessioni confuse.