Bizarre Blicke

Für Superman sind Wände durchsichtig wie Fensterglas. Allard Mosk ist kein zweiter Superman, aber durch Wände blicken kann er trotzdem – wenn sie nicht allzu dick sind. Der Physikprofessor und sein Team von der niederländischen Universität Twente nutzen dazu ein raffiniertes optisches Verfahren. Damit können sie selbst Gegenstände sichtbar machen, die einige Millimeter hinter einer stark streuenden Scheibe stehen.

Die Physiker durchleuchten die Streuscheibe zunächst mit einem Laserstrahl und bringen den Gegenstand dahinter zum Fluoreszieren. Den Teil des Fluoreszenzlichts, der auf die Scheibe zurückfällt, nehmen sie auf der anderen Seite mit einer Kamera auf. Auf dem resultierenden Bild erkennt man – nichts. Genauer: Man sieht eine völlig verrauschte Aufnahme, auf der weit und breit nichts von dem fluoreszierenden Gegenstand zu erkennen ist. „Was wir sehen, ist nur die Intensität des gestreuten Lichts” , sagt Mosk.

Die Intensität hängt mit der Amplitude der Lichtwellen zusammen – also wie stark diese hin und her schwingen. Doch Licht transportiert Information nicht nur in seiner Amplitude, sondern auch in seiner Phase. Die Phase ist ein Maß dafür, wie stark die Amplitudentäler und -berge der einzelnen Lichtwellen gegeneinander verschoben sind. „Infolge der streuenden Wirkung der Scheibe geht uns in einer einzelnen Aufnahme gerade die Information verloren, die in der Phase steckt”, sagt Allard Mosk.

Das Ergebnis ist eben das verrauschte Bild. Wobei es nicht so ist, dass es gar keine Information mehr enthält, sie springt einem nur nicht ins Auge. Daher beleuchten Mosk und sein Team den fluoreszierenden Gegenstand mit dem Laserstrahl nicht nur einmal, sondern mehrfach unter verschiedenen Winkeln. „Jedes Mal sieht die Kamera ein verrauschtes Bild, aber jedes ist ein bisschen anders, weil sich der Einfallswinkel des Laserstrahls geändert hat”, erklärt Mosk. Ein Computer speichert alle Bilder und kann so mithilfe der Phasen-Information über eine ausgeklügelte Programmroutine tatsächlich das Bild eines kleinen, geometrisch einfachen Gegenstands rekonstruieren – mit einer Genauigkeit von 0,01 Millimeter.

„Durch die Streuung an der Scheibe ist unser Puzzle in seine einzelnen Teile zerlegt worden”, veranschaulicht es Mosk. „Mit dem Laserstrahl scannen wir dann sozusagen die einzelnen Puzzleteile und der Computer setzt sie anschließend wieder zusammen – quasi durch geschicktes Ausprobieren.” Wobei Mosk übertriebene Erwartungen zurechtrückt: „Das Verfahren funktioniert nicht bei Hindernissen, die das durchgehende Licht vollständig absorbieren.” Auch das Bildfeld ist ziemlich klein.

Hautkrebs früh erkennen

Aber die Technik der Niederländer könnte eines Tages neue diagnostische Möglichkeiten eröffnen: Im Labor befand sich der abgebildete Gegenstand sechs Millimeter hinter der Streuscheibe. Bereits beim doppelten Abstand könnte man durch die menschliche Haut – die optisch ähnlich wie eine Streuscheibe wirkt – so tief in den Körper hineinschauen, das Hautkrebstumore schon in einem sehr frühen Stadium zu erkennen wären. Auch andere bildgebende Verfahren machen solche Tiefen zugänglich, allerdings nur mit deutlich geringerer Auflösung.

Hinter dem trickreichen Verfahren der niederländischen Forscher stecken die enormen Fortschritte von Rechenleistung und optischen Technologien in den vergangenen zehn Jahren: Sie sind sehr viel leistungsfähiger geworden und gleichzeitig deutlich billiger. „Vor 20 Jahren wäre unser Verfahren faktisch nicht möglich gewesen. Und vor 10 Jahren gab es Rechner, die das sehr langsam geschafft hätten. Heute bringt bereits ein Notebook oder ein Smartphone die erforderliche Rechenleistung”, sagt Mosk.

Auch viele andere optische Verfahren wurden in den vergangenen Jahren im Labormaßstab verwirklicht. Sie galten bis dahin zwar als prinzipiell möglich, doch ihre technische Realisierung scheiterte daran, dass sie zu langsam oder zu ungenau waren.

Das niederländische Durch-die-Wand-Schauen hat unter anderem Entsprechungen am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und am israelischen Weizmann Institute of Science. Doch dort wird auf ganz andere Weise „durch die Wand geschaut”. Am MIT nutzen die Wissenschaftler eine spezielle Kamera, die nicht nur – wie eine herkömmliche Kamera – die Intensität von reflektierten Lichtwellen erfasst, sondern auch den Zeitpunkt ihres Eintreffens. Dazu werden kurze Laserpulse so zu einer Wand geschickt, dass sie auf einen dahinter verdeckten Gegenstand fallen.

Die Puppe hinter der Wand

Im Experiment ist das eine kleine Gliederpuppe. Der Teil der Lichtpulse, der von der Gliederpuppe zurückgeworfen wird und über eine erneute Reflexion an der Wand wieder auf den Sensor der Kamera fällt, liefert genügend Informationen, um am Rechner ein Bild rekonstruieren zu können. Die Auflösung des Bildes ist zwar bescheiden, aber man erkennt, welche Haltung die Gliederpuppe eingenommen hat. Das Verfahren könnte helfen, um Gefahrenbereiche bei Noteinsätzen vorab ausfindig zu machen. Oder es könnte in Fahrerassistenzsysteme eingebaut werden, um dank des „Blicks um die Ecke” mehr Sicherheit zu bieten.

Die Wissenschaftler am Weizmann- Institut kommen sogar mit gewöhnlichem Licht aus, um durch die Wand oder um die Ecke zu schauen: Sie rekonstruieren das gestreute beziehungsweise reflektierte Bild ihres Testobjekts, indem sie mithilfe eines digital gesteuerten optischen Elements die Information aus der Phase der Lichtwellen gewinnen.

Die einschlägigen wissenschaftlichen Fachmagazine zur Optik haben sich in den vergangenen Jahren geradezu mit neuen Veröffentlichungen überschlagen. Selbst die thematisch breit aufgestellten Magazine „Nature” und „Science” publizierten entsprechende Arbeiten. So gelang es einem südkoreanisch-amerikanischen Forscherteam, ein extrem dünnes Endoskop zu verwirklichen, das verwertbare Bilder liefert – mit einer Auflösung von 0,002 Millimetern. Beteiligt waren die Universität Korea in Seoul, die University of Pennsylvania in Philadelphia und das MIT in Cambridge. Sie entwickelten ein Endoskop aus einem einzigen „Lichtleiter” (zum Vergleich: es gibt inzwischen 1,5 Millimeter dicke Endoskope aus bis zu 100 000 Lichtleitern). Möglich wurde dieses Endoskop, weil die Wissenschaftler ermitteln konnten, wie ein Laserstrahl beim Durchgang durch ihr Endoskop gestört wurde.

Man kann jedes optische System als eine Art Black Box auffassen: Vorne tritt Licht ein, hinten kommt es verändert wieder heraus. Schickt man Laserstrahlen, deren Eigenschaften man gut kennt – konkret: die räumliche und zeitliche Verteilung ihrer Lichtintensität – durch diese Black Box und misst danach ihre Eigenschaften, dann weiß man, wie die Strahlen durch das System verändert wurden. Betrachtet man die richtigen Parameter, so kann man daraus auf die optische Wirkung der Black Box schließen, ohne dass man im Detail wissen muss, wie sie aufgebaut ist. Dieses Prinzip ist nicht neu – es funktioniert auch bei einer einfachen Linse, nur ist es dort unnötig.

Neu ist aber, dass man es auf einen Fall mit so vielen Freiheitsgraden anwenden kann wie bei dem Endoskop des südkoreanisch-amerikanischen Teams. Hierzu stellten die Forscher eine kleine Testtafel als abzubildendes Objekt vor den Lichtleiter. Durch diesen schickten sie einen Laserstrahl, der die Tafel traf, von ihr reflektiert und gestreut wurde und dann zum Teil durch das Endoskop zum Detektor zurückkehrte. Das Abbild der Tafel blieb dabei zunächst unsichtbar, weil die Phaseninformation verloren gegangen war. Doch die Forscher schickten den Strahl nicht nur einmal durch den Leiter, sondern 15 000 Mal unter jeweils verschiedenen Einfallswinkeln, und sie vermaßen ihn anschließend genau.

Bildeten sie dann die Testtafel mit gewöhnlichem Licht durch ihr Endoskop ab, konnten sie deren Abbild rekonstruieren, weil sie aus der Lasermessung wussten, wie jeder Bildpunkt spezifisch zu korrigieren war. Dieses Verfahren könnte eines Tages dazu benutzt werden, noch in die feinsten Verästelungen von Hohlorganen vorzudringen – die heutigen Endoskope sind dazu viel zu dick.

Nicht weniger erstaunlich ist das optische System, das Wissenschaftler der Bell Labs – Teil des Netzwerkausrüsters Alcatel-Lucent – entwickelt haben: Es kommt wie eine Lochkamera ohne Linse aus, und ihm genügt ein einzelnes Pixel als Bildsensor. Die Bildsensoren moderner Digitalkameras haben dagegen Millionen von Pixeln.

Anders als bei einer Lochkamera verwenden die Bell-Lab-Forscher statt einer einzigen Blende eine Anordnung aus 65 000 Blenden, von denen sich jede einzelne separat schließen und öffnen lässt. Das Sensorpixel registriert dann die variierende Lichtintensität, während die Blenden nach einem bestimmten Schema angesteuert werden. Anschließend können die Wissenschaftler aus diesen Messungen ein zweidimensionales Bild des erfassten Motivs am Rechner rekonstruieren. Allerdings ist der Rechenaufwand bislang noch immens: Es dauert mehrere Minuten bis zu einer Stunde, bevor das Bild fertig ist.

Bisher ist dieses Verfahren reine Grundlagenforschung, die zeigt, was im Prinzip möglich ist. Künftige Anwendungen könnten etwa Überwachungskameras sein oder die bildgebenden Endoskopie. Großes Plus: Ein-Pixel-Kameras würden viel weniger Platz erfordern als die bisherigen pixelstarken und wären wohl auch billiger, weil die Kosten für den Bildsensor entfallen.

Rechenleistung als Erfolgsgeheimnis

Natürlich sind für all diese Machbarkeitsstudien und Experimente weiterhin gewöhnliche optische Elemente und Geräte erforderlich: Laserstrahlquellen, Laserscanner, Lichtmodulatoren, hochwertige Filter oder rauscharme Detektoren. Aber bei allen Ansätzen kommt nach der eigentlichen Abbildung eben noch ein weiterer Schritt hinzu, der die Aufnahme nicht einfach durch Bildverarbeitung verbessert, sondern dank großer Rechenleistung überhaupt erst eine Aufnahme entstehen lässt – und dadurch scheinbar Unmögliches möglich macht.

Tom Giallorenzi, Senior Science Advisor bei der Optical Society of America, bringt es auf den Punkt: „Oft steckt hinter den neuen Ansätzen keine neue Physik, vielmehr sind jetzt die technischen Voraussetzungen erfüllt, um bekannte theoretische Konzepte in die Praxis umzusetzen.” Der Computer ermögliche dabei vieles, aber man müsse eben auch häufig einen Kompromiss eingehen: „Denn oft hat man nicht genügend Randbedingungen, um die im Motiv vorhandene Information im Bild vollständig zu rekonstruieren.”

Hilfreich für diese Entwicklung ist, dass Wissenschaftler verschiedener Disziplinen an die neuen Fragestellungen herangehen. Zum Beispiel der Informatiker Oliver Bimber, Professor und Leiter des Instituts für Computergrafik an der Johannes-Kepler-Universität im österreichischen Linz: Als er über einen neuartigen Bildsensor nachdachte, diskutierte er auch mit Kollegen aus der Physik, die das Verfahren, das ihm vorschwebte, in einem optisch relativ einfachen Fall erfolgreich angewandt hatten. „Der Tenor war zunächst, dass der Sensor wohl im Prinzip funktionieren würde, aber vermutlich nichts Verwertbares dabei herauskäme”, berichtet Bimber. Probiert hat er es mit seinem Team dann trotzdem – und inzwischen haben sogar Forscher von Microsoft Interesse bekundet.

Kunststofffolie als Lichtleiter

Bimbers Bildsensor besteht aus einem Lichtkonzentrator, wie er bei bestimmten Solarzellen zur Verbesserung des Wirkungsgrads verwendet wird. Im Prinzip handelt es sich um eine durchsichtige Kunststofffolie, in die fluoreszierende Partikel eingebettet sind. Fällt Licht auf sie, beginnen sie zu leuchten. Die Folie wirkt wie ein Lichtleiter: Das Fluoreszenzlicht der Partikel wird durch Reflexionen zum Rand der Folie geleitet. Dort haben Bimber und sein Team Zeilen aus Fotodioden angebracht, wie sie in Scannern verwendet werden. Sie erfassen das ankommende Licht und rekonstruieren daraus das Bild, das zuvor auf dem Lichtkonzentrator zu sehen war.

Das gelingt nur mit einem ausgeklügelten Verfahren, das aus der Röntgentomografie stammt: Die Wissenschaftler messen, wie viel Licht aus verschiedenen Richtungen auf die Fotodioden fällt und ermitteln aus der jeweiligen Intensität, wie stark das Licht gedämpft wurde, also wie lang der Weg war, den das Licht zuvor im Konzentrator zurückgelegt hat. Dadurch können sie den Lichtkonzentrator rechnerisch in Pixel unterteilen und ein virtuelles Bild rekonstruieren. Dessen Auflösung ist mit 64 mal 64 Pixel nicht üppig, aber sie reicht für interessante Anwendungen aus: Vorstellbar sind Überwachungskameras oder die Steuerung von Systemen durch Gesten, denn dafür genügt es, Schatten oder Silhouetten zu erkennen. „Unsere Lichtkonzentratoren müssen nicht flach wie ein Touchscreen sein. Und da sie transparent sind, können sie übereinandergestapelt unterschiedliche Informationen gleichzeitig erfassen”, nennt Bimber die Vorteile.

Kritisch für die Bildqualität ist die Empfindlichkeit der Fotodioden. Sie lässt sich durch höherwertige Dioden verbessern, aber auch durch eine geschickte Signalverarbeitung: Dann rekonstruiert das System zunächst viele niedrig aufgelöste Bilder und fügt diese erst anschließend zu einem Bild mit höherer Auflösung zusammen.

„Derzeit entwickeln wir das System weiter, um Tiefeninformationen rekonstruieren und die Lage des Brennpunkts variieren zu können”, sagt Bimber. Das Paradoxe dabei: Nirgends im System gibt es Linsen oder Spiegel, die nach klassischem Verständnis dafür eigentlich erforderlich wären. Auch das ist ein Triumph der Theorie: Physikalisches Wissen und eine große Rechenleistung enthüllen verborgene Seiten der Welt. •

MICHAEL VOGEL ist fasziniert davon, wie viele verborgene Informationen man aus Fotos gewinnen kann, wenn man genügend Rechenleistung investiert.

von Michael Vogel