Hur man tar bilder genom ogenomskinliga föremål

Det är drömmen för både spöken och tonåringar: hur man tar fotografier genom ogenomskinliga föremål.

Det har alltid varit omöjligt eftersom ljuset sprids så illa när det färdas genom ett ogenomskinligt medium att det är omöjligt att rekonstruera originalbilden. Eller så hade vi tänkt.

Idag visar Sebastian Popoff och kompisar vid Langevin-institutet i Paris hur det kan göras med hjälp av lite matematiskt knep.

Skicka en laserstråle genom ett ogenomskinligt medium och allt du får på andra sidan är fläckar: strålen har blandats på ett till synes slumpmässigt sätt när den studsar runt och stör inuti materialet.

Men Popoff och co påpekar att hur komplex denna process än är, så är multipelspridning i slutändan deterministisk. Ingen information går faktiskt förlorad när ljuset sprids. Det betyder att det borde vara möjligt att utvinna informationen, frågan är bara hur. Popoff och kompisars tillvägagångssätt är att tänka på det spräckliga mönstret som en bild som har överförts genom ett stort antal komplicerade optiska kanaler. Att rekonstruera bilden i en fråga om att bearbeta den på ett sätt som vänder effekten av dessa kanaler.

Men hur hittar man en sådan operatör, transmissionsmatrisen, som Popoff och co kallar det?

Enkelt, säger de. Skicka bara flera kända vågfronter genom materialet och registrera hur de är förvrängda. Transmissionsmatrisen kan sedan härledas från skillnaden mellan de projicerade och sända vågfronterna. Den här processen tar bara några minuter, säger de.

Och det är precis vad de har gjort med hjälp av en rumslig ljusmodulator för att skapa lämpliga vågfronter och bilder för att skicka genom ett ogenomskinligt lager av zinkoxid på ett mikroskopobjektglas.

Zinkoxidskiktet förvandlar vilken bild som helst till en till synes slumpmässig fläck. Popoff och co rekonstruerar sedan originalet med hjälp av transmissionsmatrisen (eller faktiskt dess invers).

Det finns ytterligare en komplexitet: buller. Det visar sig att brus avsevärt förändrar transmissionsmatrisen så att även små mängder förstör rekonstruktionsprocessen.

För att komma runt detta belyser Popoff och co objektet som ska avbildas med flera olika vågfronter och mäter transmissionsmatrisen för var och en. Detta motsvarar att skicka ljus genom flera olika spridningskanaler och fungerar som en slags medelvärdesprocess som tar bort effekten av brus.

Det är intressant arbete inspirerat av tekniker som har funnits inom akustik ett tag. En medlem i teamet är Mathias Fink, som uppfann tidsomvända akustiska speglar redan på 90-talet.

Frågan är nu vad man ska använda den här enheten till. Den har vissa begränsningar, den mest uppenbara är att åtminstone lite ljus behöver passera genom materialet för att tekniken ska fungera. Allt som absorberar ljus helt kommer fortfarande att vara ogenomskinligt så tonåringar som hoppas kunna ta sig in i sovrummen kommer att bli besvikna. Materialet måste också vara linjärt, vilket utesluter vissa klasser av ganska konstiga material.

Annat än det går allt. Och naturligtvis borde det fungera för reflekterade såväl som överförda bilder. Så det kan förvandla en vanlig vägg till en perfekt spegel. Frostade fönster kanske aldrig blir privata igen.
Ref: arxiv.org/abs/1005.0532 : Bildöverföring genom ett ogenomskinligt material Dölj