Visuelles Mikrofon hört mit Licht statt Ton

Elektronik

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 1. August 2025

Schema eines Schallerkennungssystems mit einem kostengünstigen optischen Mikrofon. Der PDA ist ein Ein-Pixel-Sensor, eine Fotodiode. Der DMD ist ein digitaler Mikrospiegel, ein kommerzielles Bauteil. [Bild: Xu-Ri Yao/Beijing Institute of Technology]

Visuelles Mikrofon

Forscher haben ein Mikrofon entwickelt, das mithilfe von Licht lauscht, anstatt Geräusche direkt zu erfassen.

Im Gegensatz zu normalen Mikrofonen nimmt dieses visuelle Mikrofon winzige Vibrationen auf der Oberfläche von Objekten auf, die durch Schallwellen verursacht werden, und wandelt sie dann in hörbare Signale um.

„Unsere Methode vereinfacht und reduziert die Kosten für die Lichtaufnahme. Sie ermöglicht zudem Anwendungen in Situationen, in denen herkömmliche Mikrofone unwirksam sind, wie etwa bei Gesprächen durch ein Glasfenster“, sagte Professor Xu-Ri Yao vom Beijing Institute of Technology in China. „Solange ein Durchgang für das Licht vorhanden ist, ist eine Schallübertragung nicht notwendig.“

Es ist ein wahres technologisches Wunder, erinnert uns aber auch daran, dass Datenschutz ein zunehmend unerreichbares Problem ist. Das Team versichert jedoch, dass das photonische Mikrofon auch für gute Zwecke eingesetzt werden kann.

„Neue Technologien könnten die Art und Weise verändern, wie wir Geräusche aufzeichnen und überwachen. Sie eröffnen neue Möglichkeiten in vielen Bereichen, etwa in der Umweltüberwachung, der Sicherheit und der industriellen Diagnostik“, sagte Yao. „So könnte es beispielsweise möglich sein, mit jemandem zu sprechen, der in einem geschlossenen Raum wie einem Zimmer oder einem Fahrzeug gefangen ist.“

Forscher rekonstruierten Audiosignale, indem sie die Vibration einer Papierkarte (ac) abbildeten. Die Ergebnisse wurden durch einen Signalverarbeitungsfilter verbessert, um die Hochfrequenzkomponente (df) zu verstärken. [Bild: Xu-Ri Yao/Beijing Institute of Technology]

Mit Licht Töne hören

Obwohl bereits mehrere Methoden zur Schallerkennung mit Licht entwickelt wurden, erfordern diese Lösungen anspruchsvolle optische Geräte wie Laser oder Hochgeschwindigkeitskameras. Die Idee dahinter war, mithilfe eines computergestützten Bildgebungsverfahrens, der sogenannten Einzelpixel-Bildgebung, einen einfacheren und kostengünstigeren Ansatz zu entwickeln, der die optische Schallerkennungstechnologie zugänglicher macht.

Anstelle der Millionen von Pixeln herkömmlicher Kameras erfasst die Einzelpixel-Bildgebung Bilder mit nur einem Lichtdetektor – einem einzigen Pixel. Dadurch ist es unmöglich, ein ganzes Bild auf einmal aufzunehmen, aber das Gerät ist kleiner, einfacher und bietet potenziell eine viel höhere Empfindlichkeit.

Um dies zu erreichen, wird das Licht in der Szene mithilfe strukturierter, zeitlich variierender Muster moduliert. Dies geschieht durch einen sogenannten räumlichen Lichtmodulator . Der Sensor – der einzelne Pixel – misst die für jedes Muster modulierte Lichtmenge. Ein Computer rekonstruiert aus diesen Messungen Informationen über das fotografierte Motiv.

Um diese Einzelpixel-Bildgebungstechnik auf die Schallerkennung anzuwenden, verwendete das Team einen Hochgeschwindigkeits-Raumlichtmodulator, der das von einer schallbeaufschlagten Oberfläche reflektierte Licht kodieren kann. Die schallinduzierte Vibrationsbewegung auf der Oberfläche führt zu subtilen Änderungen in der Intensität des reflektierten Lichts, die vom Einzelpixel-Detektor erfasst werden.

Da das Ziel jedoch nicht darin besteht, das Objekt zu fotografieren, werden die im Licht erkannten Schwankungen in hörbaren Ton dekodiert.

„Die Kombination von Einzelpixel-Bildgebung mit Fourier-basierten Lokalisierungsmethoden ermöglichte uns eine qualitativ hochwertige Geräuscherkennung mit einfacherer Ausrüstung und zu geringeren Kosten“, sagte Yao. „Unser System ermöglicht die Geräuscherkennung mit Alltagsgegenständen wie Papierkarten und -blättern unter natürlichen Lichtbedingungen und erfordert keine spezielle Lichtreflexion der vibrierenden Oberfläche.“

Ein Blatt Papier funktioniert auch, allerdings mit etwas schlechteren Ergebnissen als Papier. [Bild: Wei Zhang et al. - 10.1364/OE.565525]

Tests und wenige Daten

Um das neue visuelle Mikrofon zu demonstrieren, testeten die Forscher seine Fähigkeit, die Aussprache von Zahlen auf Chinesisch und Englisch sowie einen Auszug aus Beethovens An Elise zu rekonstruieren.

Eine Papierkarte und ein Pflanzenblatt wurden als Vibrationsziele verwendet und im Abstand von 0,5 Metern positioniert, während ein Lautsprecher in der Nähe den Ton abspielte.

Das System rekonstruierte klaren und verständlichen Ton, wobei die Papierkarte bessere Ergebnisse lieferte als die Folie. Niederfrequente Töne unter 1 kHz wurden präzise wiedergegeben, während hochfrequente Töne über 1 kHz leichte Verzerrungen aufwiesen. Ein Signalverarbeitungsfilter verbesserte die Ergebnisse jedoch.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Einzelpixeldetektors zur Aufzeichnung von Lichtintensitätsinformationen besteht darin, dass er relativ geringe Datenmengen erzeugt. Dies bedeutet, dass die Daten problemlos auf Speichergeräte heruntergeladen oder in Echtzeit ins Internet hochgeladen werden können, was langfristige oder sogar kontinuierliche Tonaufnahmen ermöglicht – im Test lag die Datenrate bei 4 MB/s.

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