Des ingénieurs de l'Université Duke ont développé une méthode pour extraire une image couleur à partir d'une seule exposition de lumière diffusée à travers un matériau principalement opaque. La technique a des applications dans un large éventail de domaines allant de la santé à l'astronomie.

L'étude est parue en ligne le 9 juillet dans la revue Optique .

"D'autres ont pu reconstruire des images couleur à partir de la lumière diffusée, mais ces méthodes devaient sacrifier la résolution spatiale ou nécessitaient une caractérisation préalable du diffuseur à l'avance, ce qui n'est souvent pas possible, " a déclaré Michael Gehm, professeur agrégé de génie électrique et informatique à Duke. "Mais notre approche évite tous ces problèmes."

Lorsque la lumière est diffusée lorsqu'elle traverse un matériau translucide, le motif émergent de « speckle » semble aussi aléatoire que statique sur un écran de télévision sans signal. Mais ce n'est pas aléatoire. Parce que la lumière provenant d'un point d'un objet parcourt un chemin très similaire à celui de la lumière provenant d'un point adjacent, le motif moucheté de chacun se ressemble beaucoup, juste légèrement décalé.

Avec suffisamment d'images, les astronomes utilisaient ce phénomène "d'effet mémoire" pour créer des images plus claires du ciel à travers une atmosphère turbulente, tant que les objets à imager étaient suffisamment compacts.

Alors que la technique est tombée en disgrâce avec le développement de l'optique adaptative, qui font le même travail en utilisant des miroirs réglables pour compenser la diffusion, il est récemment redevenu populaire. Parce que les caméras modernes peuvent enregistrer des centaines de millions de pixels à la fois, une seule exposition est nécessaire pour que les statistiques fonctionnent.

Bien que cette approche puisse reconstruire une image dispersée, il a des limites dans le domaine de la couleur. Les motifs de mouchetures créés par différentes longueurs d'onde sont généralement impossibles à démêler les uns des autres.

La nouvelle approche d'imagerie par effet mémoire développée par les auteurs Xiaohan Li, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Gehm, Joël Greenberg, professeur agrégé de recherche en génie électrique et informatique, et Gehm dépasse cette limitation.

L'astuce consiste à utiliser une ouverture codée suivie d'un prisme. Une ouverture codée est essentiellement un filtre qui permet à la lumière de traverser certaines zones mais pas d'autres selon un motif spécifique. Une fois le speckle « estampé » par l'ouverture codée, il passe à travers un prisme qui provoque la diffusion de différentes fréquences de lumière les unes par rapport aux autres.

Cela provoque un léger décalage du motif de l'ouverture codée par rapport à l'image capturée par le détecteur. Et la quantité qu'il déplace est directement liée à la couleur de la lumière qui la traverse.

"Ce décalage est faible par rapport à la taille globale de ce qui est imagé, et parce que notre détecteur n'est pas sensible à la couleur, cela crée une combinaison désordonnée, " a déclaré Li. "Mais le changement est suffisant pour donner à notre algorithme un pied pour taquiner les motifs de mouchetures individuels en dehors de chaque couleur, et à partir de là, nous pouvons déterminer à quoi ressemble l'objet pour chaque couleur."

Les chercheurs montrent que, en se focalisant sur cinq canaux spectraux correspondant au violet, vert et trois nuances de rouge, la technique peut reconstituer une lettre "H" pleine de roses nuancées, jaunes et bleus. En dehors de cette difficile preuve de principe, les chercheurs pensent que leur approche pourrait trouver des applications dans des domaines tels que l'astronomie et les soins de santé.

En astronomie, la teneur en couleur de la lumière provenant de phénomènes astronomiques contient des informations précieuses sur sa composition chimique, et le chatoiement est souvent créé lorsque la lumière est déformée par l'atmosphère. De même dans le domaine de la santé, la couleur peut dire aux chercheurs quelque chose sur la composition moléculaire de ce qui est imagé, ou il peut être utilisé pour identifier des biomolécules qui ont été marquées avec des marqueurs fluorescents.

"Il y a beaucoup d'applications où les gens veulent vraiment savoir combien d'énergie il y a dans des bandes spectrales spécifiques émises par des objets situés derrière des occlusions opaques, " a déclaré Greenberg. "Nous avons montré que cette approche peut atteindre cet objectif à travers le spectre visible. Connaître le modèle d'ouverture et de combien il se déplace en fonction de la longueur d'onde fournit la clé dont nous avons besoin pour démêler la somme désordonnée en canaux séparés."