Sådan træner du en maskine til at se 3D i mørke

Forskere ved Australian National University (ANU) har udviklet en ny måde at skabe et næsten perfekt hologram i næsten mørke.

Optiske hologrammer er en smart måde at fremstille et 3-D billede af et objekt på. De har en række anvendelser - fra at beskytte vores ID-kort mod forfalskning, til real-time billeddannelse af levende celler.

Det nye gennembrud vil gøre det muligt for hologrammer at udføre disse vitale funktioner og mere med meget mindre lys.

Ifølge Dr. Steve Lee, kvaliteten af ​​et optisk hologram er ofte forbundet med lysstyrken af ​​laserlys.

"Så vi spurgte os selv, hvordan kan vi lave et optisk hologram i næsten fuldstændigt mørke?" sagde Dr. Lee.

"Normalt hvis du danner et optisk hologram ved hjælp af ekstremt svagt lys, hologrammet vil se meget kornet ud, " sagde Dr. Lee.

"Vi kalder denne kornethed for 'skudstøjsgrænsen' - hvilket også opstår, når du lukker øjnene om natten. De lyspletter, du ser, er faktisk der, hvor dit øje er begrænset af skudstøj."

Forskerholdet fandt en vej rundt om dette problem ved hjælp af maskinlæring.

"Vi har vist, at ved at bruge meget lidt lys - næsten kulsort ved billedhastigheder på under millisekunder - kan vi stadig genoprette et hologram til tæt på perfekt tilstand."

Hovedforfatter af undersøgelsen, hr. Zhiduo Zhang, beskriver det som at restaurere et kornet gammelt foto.

"Detaljerne på billedet, der ligner et stykke historisk kunstværk, kan gendannes af en ekspert, " sagde hr. Zhang.

"Her, vores ekspert er en maskine – kaldet Holo-UNet. Maskinen mestrer udseendet af et ideelt hologram gennem tusindvis af indlæringscyklusser. Efter træning, så viser vi maskinen et hologram med masser af manglende optisk information. Meget som en malermester, maskinen husker, hvordan man digitalt udfylder de manglende fotoner og dermed genopretter hologrammet til næsten perfekte forhold."

Resultaterne af undersøgelsen kan have vigtige konsekvenser for biologisk billeddannelse.

"Biologiske celler er meget følsomme over for lys og kan let blive beskadiget, " sagde Dr. Lee.

"Eksisterende lysmikroskoper laver 3D-billeder af celler ved hjælp af koncentreret lys - hvilket ikke er ideelt. Vores metode kan bruges til at spore celler over lange perioder under næsten fuldstændig mørke uden at bekymre os om lysskader på cellerne. Vi kan nu også optage hologrammer af levende celler på mindre end en hundrededel af et sekund med meget lidt lys, og se begivenheder som celledeling med meget større klarhed."

Forskningen er blevet publiceret i tidsskriftet Biomedicinsk Optik Express .