Kamera guckt um die Ecke
Ein neues Abbildungsverfahren macht mittels Femtolaserpulsen verborgene dreidimensionale Objekte sichtbar.
Forscher am MIT haben mit einem Femtosekundenlaser und einer Spezialkamera ein dreidimensionales Bild eines Gegenstandes erstellt, der hinter einem Schirm verborgen war. Dazu werteten sie die Laufzeit des gepulsten Laserlichts aus, das vom Gegenstand reflektiert wurde und auf Umwegen ins Kameraobjektiv gelangte.
Abb.: Eine Kamera, die um die Ecke guckt: (a) der Versuchsaufbau; (c) die dreidimensionale Abbildung des verborgenen Objekts. (Bild: A. Velten et al., Nat. Commun.)
Andreas Velten und seine Kollegen stellten eine hölzerne Gliederpuppe, wie man sie als Vorlage zum Zeichnen benutzt, hinter einem lichtundurchlässigen Schirm auf, so dass sie für die Kamera verborgen war. Dann richteten sie einen gepulsten Laserstrahl auf eine in der Nähe der Puppe befindliche Wand, von der das Licht diffus reflektiert und auf die Puppe geworfen wurde. Von ihr gelangte ein Teil des Lichts nach erneuter Reflexion an der Wand zur Kamera.
Aus der Intensität des diffus reflektierten Lichtes allein ließ sich kein Bild der Puppe gewinnen. Die Photonen in den 50 Femtosekunden langen Laserpulsen kamen jedoch mit unterschiedlicher Zeitverzögerung bei der Kamera an, je nachdem wo sie an der Oberfläche der Puppe reflektiert worden waren. Die Kamera, bei der es sich um eine „Streak-Kamera“ handelte, registrierte die Intensität des einfallenden Lichtes in Abhängigkeit von seiner Zeitverzögerung. Die dabei erreichte Zeitauflösung von ca. zwei Pikosekunden entspricht einer räumlichen Auflösung von etwa einem Millimeter.
Abb.: Video des Nature Video Teams zur Um-die-Ecke-Kamera. (Quelle: Nature, youtube.com)
Die Forscher setzten für jeden Laserpuls den Zeitnullpunkt, indem sie einen kleinen Teil des Laserlichts mit einem teildurchlässigen Spiegel ablenkten und direkt von der Wand in das Kameraobjektiv reflektieren ließen. Den Rest des Lichtes richteten sie so auf die Wand, dass er die Puppe indirekt beleuchten konnte. Die Intensität des von der Puppe auf die Wand zurückgeworfenen Lichts wurde von der Streak-Kamera zeilenweise orts- und zeitsaufgelöst registriert.
Velten und seine Kollegen wiederholten die Intensitätsmessungen, indem sie den Laserstrahl auf etwa 60 verschiedene Positionen an der Wand richteten. Sie zerlegten die Form der Puppe, indem sie sie in millimetergroße „Voxel“ oder Volumenpixel zerlegten und berechneten dann, wie die Voxel der Objektoberfläche im Raum positioniert gewesen sein mussten, um das gemessene zeitaufgelöste eindimensionale Intensitätsmuster zu erzeugen.
Auf diese Weise gelang es den MIT-Forschern grobe aber doch charakteristische dreidimensionale Bilder der Gliederpuppe zu erzeugen, die in Strahlrichtung eine Auflösung von etwa einem Millimeter und quer dazu von etwa einem Zentimeter hatten. Auf diesen Bildern war die Ausrichtung der Gliedmaßen der Puppe deutlich zu erkennen. Mit einem adaptiven Algorithmus, der für die schrittweise Rekonstruktion des verborgenen Objekts die jeweils beste Positionierung des nächsten Laserpulses ermittelt, sollte sich das dreidimensionale Bild des Objekts noch weiter verbessern lassen.
Mögliche Anwendungen ihres Abbildungsverfahrens sehen die Forscher bei der Erkundung von schwer zugänglichen oder gefährlichen Umgebungen, wo auch Roboter nicht arbeiten können oder unbenutzbar werden, z. B. im Inneren von Maschinen oder in radioaktiv verstrahlten Bereichen.
Rainer Scharf
