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

Licht is een krachtig instrument om de wereld te meten. Wanneer wetenschappers de exacte vorm van een oppervlak willen weten, gebruiken ze vaak een techniek die digitale holografie wordt genoemd. Deze methode werkt door een laserstraal in twee paden te splitsen: één reflecteert op het object dat wordt bestudeerd, en de andere legt een apart traject af voordat ze weer worden samengevoegd. Waar de twee stralen elkaar ontmoeten, creëren ze een interferentiepatroon, een complexe kaart van licht en donkere lijnen die de hoogte en textuur van het oppervlak met ongelooflijke precisie codeert. Omdat de lichtgolven zo gevoelig zijn, kan deze techniek hoogteveranderingen detecteren die kleiner zijn dan de breedte van een enkel atoom. Echter, deze extreme gevoeligheid is ook de grootste zwakte. In elk optisch systeem reist licht zelden in een perfect rechte lijn. Het kaatst van lenzen, ramen en de achterkant van glazen objecten, wat ongewenste reflecties creëert die mengen met het signaal van het object. Deze "parasitaire" reflecties werken als statische ruis op een radio en creëren spookachtige patronen die het uiteindelijke beeld vervormen en nauwkeurige meting onmogelijk maken.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart en Carl Zeiss AG heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze ruis te elimineren zonder de helderheid van de meting te verliezen. Ze combineerden een techniek genaamd speckle-illuminatie met een methode die gebruikmaakt van meerdere kleuren licht. In plaats van een gladde, uniforme lichtstraal op een object te schijnen, gebruikten ze een speciale diffuser om het licht te verstrooien tot een chaotisch, korrelig patroon dat bekend staat als een speckle-veld. Door dit patroon vele malen snel te veranderen en de resultaten te middelen, konden ze het werkelijke oppervlak van het object wiskundig isoleren terwijl ze de ongewenste reflecties van andere oppervlakken elimineerden. Deze aanpak stelt hen in staat om grote, complexe objecten te meten die zich achter glas bevinden of een ruwe textuur hebben, waarmee ze een niveau van helderheid bereiken dat voorheen onbereikbaar was voor dit type technologie.

De kern van het probleem ligt in hoe licht zich gedraagt wanneer het van meerdere oppervlakken reflecteert. Stel je voor dat je naar een muntje kijkt door een dik stuk glas. Het licht reflecteert van de voorkant van het glas, dan van de achterkant van het glas, en tenslotte van de munt zelf. In een standaard laseropstelling komen al deze reflecties tegelijkertijd bij de camera aan, waardoor ze met elkaar interfereren en een verwarrende bende van rimpelingen creëren die de werkelijke kenmerken van de munt verbergen. Eerdere pogingen om dit op te lossen omvatten het gebruik van lichtbronnen met een zeer korte coherentielengte, zoals lichtgevende diodes (LED's), maar dit beperkte de diepte van het object dat gemeten kon worden. De onderzoekers hadden een manier nodig om de langetermijn-meetmogelijkheden van lasers te behouden terwijl ze toch de ruis van de extra reflecties wegfilterden.

Om dit op te lossen, gebruikten het team een truc gebaseerd op het unieke gedrag van speckle-patronen. Wanneer licht door een diffuser gaat, creëert het een willekeurige, korrelige textuur. Deze textuur is zeer specifiek voor de exacte afstand die het licht aflegt. Als het licht reflecteert van een oppervlak dat iets dichterbij of verder weg is dan het hoofdobject, zal het speckle-patroon dat het met zich meedraagt er volkomen anders uitzien dan het patroon van het hoofdobject. De onderzoekers zetten een experiment op waarbij ze honderden hologrammen van een object opnamen, waarbij ze de diffuser telkens een klein beetje verschoven om telkens een nieuw, uniek speckle-patroon te creëren. Ze gebruikten vervolgens een referentiemeting van een perfecte spiegel om elk van deze beelden te kalibreren. Wanneer ze al deze beelden wiskundig combineerden, werd het signaal van het hoofdobject, dat consistent bleef ten opzichte van de referentie, duidelijk en sterk. De signalen van de ongewenste reflecties veranderden echter willekeurig met elk nieuw patroon. Omdat ze niet synchroon liepen met het hoofdobject, werkten ze elkaar tegen en vervaagden ze naar de achtergrond, zoals ruis in een drukke kamer.

De onderzoekers testten deze methode in verschillende uitdagende scenario's. Eerst keken ze naar een standaard microscoopglasplaatje, een dun stuk glas dat van nature licht reflecteert van zowel de voor- als de achterzijde. Bij gebruik van een gladde laserstraal veroorzaakte de reflectie van het achteroppervlak sterke, afleidende franjes die het beeld verpestten. Wanneer ze overschakelden naar hun nieuwe speckle-methode en 100 verschillende patronen middelden, verdwenen deze franjes en bleef er een helder zicht op het vooroppervlak over. Ze ontdekten dat de effectiviteit van deze reiniging afhing van hoe "korrelig" het licht werd gemaakt; een fijner, chaotischer patroon onderdrukte de ruis beter. In hun beste configuratie verminderden ze de ruis in het beeld met een factor zes vergeleken met de standaardmethode.

Vervolgens gingen ze over naar een complexer object: een vijfcentstuk geplaatst achter een dekglasplaatje (coverslip). De munt heeft een ruw, ongelijkmatig oppervlak met verhoogde letters en ontwerpen. Het dekglasplaatje voegde een laag ongewenste reflectie toe die, met standaardverlichting, de details van de munt volledig aan het oog onttrok en het beeld veranderde in een chaotische werveling van fouten. Met de nieuwe speckle-techniek kwam de munt duidelijk tevoorschijn. De onderzoekers maten de hoogte van het oppervlak van de munt en stelden vast dat de ruis daalde van meer dan 54 micrometer naar slechts 5 micrometer. Dit betekende dat de fijne details van de munt, die voorheen verborgen waren, nu met hoge precisie gezien en gemeten konden worden. De methode slaagde erin de scherpe randen van de verhoogde cijfers te behouden terwijl de spookachtige interferentie van het glas werd verwijderd.

Ten slotte demonstreerden het team dat deze techniek objecten kan meten die een grote afstand beslaan. Ze plaatsten drie metalen blokken op verschillende hoogtes, gescheiden door openingen van ongeveer 10 millimeter, wat een totale meetbereik van meer dan 20 millimeter creëerde. Ze plaatsten een dekglasplaatje voor de blokken om de nodige parasitaire reflecties te introduceren. Met een enkele camerafocus konden ze niet alle drie de blokken tegelijkertijd duidelijk zien. Echter, omdat digitale holografie toestaat om "numeriek te herfocussen", konden ze de focus computationeel stap voor stap naar elk blok verschuiven. De speckle-methode zorgde ervoor dat wanneer ze op één blok focusten, de reflecties van het dekglasplaatje en de andere blokken werden onderdrukt. Door de metingen genomen bij acht verschillende lasergolflengten te combineren, waren ze in staat de gegevens samen te voegen tot een enkele, continue 3D-kaart. Het eindresultaat toonde de drie blokken op hun exacte bekende posities, met een fout van slechts twee micrometer, wat bewees dat de methode complexe, meerlagige objecten kan verwerken zonder de noodzaak van mechanisch scannen.

Het succes van dit werk berust op een delicaat evenwicht. De onderzoekers moesten ervoor zorgen dat de speckle-patronen verschillend genoeg waren om de ruis te elimineren, maar vergelijkbaar genoeg om de details van het object te behouden. Ze ontdekten dat het gebruik van een specifiek bereik aan lichtpatronen hen in staat stelde om de ongewenste reflecties van oppervlakken die meer dan een millimeter verwijderd waren te onderdrukken, terwijl het beeld van het doeloppervlak scherp bleef. Deze aanpak vereist geen beweging van de camera of het object, noch vereist het het veranderen van de lichtbron naar een minder krachtige bron. In plaats daarvan gebruikt het de wiskunde van middeling om het signaal van de ruis te scheiden. Hoewel het proces tijd kost omdat er duizenden beelden moeten worden vastgelegd, opent het de deur naar het meten van complexe, real-world objecten die voorheen te moeilijk te analyseren waren met hoog-precisie optische instrumenten. Het resultaat is een robuuste methode om de ware vorm van dingen te zien, zelfs wanneer ze verborgen zijn achter glas of omgeven zijn door verwarrende reflecties.