Революционный метод, позволяющий выявить изображения, скрытые в шуме.

Эта инновационная квантовая технология визуализации превосходно работает в условиях низкой освещенности, открывая новые горизонты в области медицинской визуализации и консервации произведений искусства.

Исследователи из Школы физики Варшавского университета вместе с коллегами из Стэнфордского университета и Государственного университета Оклахомы представляют квантовый метод фазовой визуализации, основанный на измерениях корреляции сильной интенсивности света с фазовым шумом. Новый метод визуализации может работать даже при очень слабом освещении и может быть полезен в новых приложениях, таких как инфракрасная и рентгеновская интерферометрия, квантовая и волновая интерферометрия материи.

Революция в технике фотографии.

Независимо от того, фотографируете ли вы кошек на свой смартфон или фотографируете клеточные культуры с помощью современного микроскопа, вы делаете это, измеряя интенсивность (яркость) света в пикселях. Свет характеризуется не только своей интенсивностью, но и фазой. Интересно, что прозрачные объекты могут стать видимыми, если вы сможете измерить задержку фазы света, которую они создают.

Фазово-контрастная микроскопия, за которую Фриц Цернеке получил Нобелевскую премию в 1953 году, произвела революцию в биомедицинской визуализации благодаря возможности получения изображений с высоким разрешением различных прозрачных и оптически тонких образцов. Область исследований, возникшая в результате открытия Цернике, включает современные методы визуализации, такие как цифровая голография и количественная фазовая визуализация.

«Он позволяет проводить количественную характеристику живых образцов, таких как клеточные культуры, без использования меток, и может найти применение в нейробиологии или исследованиях рака», — объясняет доктор Радек Лапкевич, руководитель лаборатории количественной визуализации на физическом факультете Университета Варшава.

Шуморезистивная фазовая визуализация с корреляцией интенсивности, кредит: Физический факультет Варшавского университета.

Проблемы и инновации на этапе фотографии

Тем не менее, еще есть возможности для улучшения. «Например, интерферометрия, которая является стандартным методом измерения для точного измерения толщины в любой точке исследуемого объекта, работает только тогда, когда система стабильна, не подвергается никаким потрясениям или возмущениям», — объясняет Ежи Шоневич, докторант Факультет физики Варшавского университета Очень сложно провести такой тест, например, в движущемся автомобиле или на вибростоле.

Исследователи из Школы физики Варшавского университета вместе с коллегами из Стэнфордского университета и Государственного университета Оклахомы решили решить эту проблему и разработать новый метод фазовой визуализации, невосприимчивый к фазовым нестабильностям. Результаты их исследования опубликованы в престижном журнале Развитие науки.

Назад в старую школу

Как исследователям пришла в голову идея новой технологии? Леонард Мандель и его группа продемонстрировали в 1960-х годах, что даже когда интенсивность помех не обнаруживается, корреляции могут выявить их присутствие.

«Вдохновленные классическими экспериментами Манделя, мы хотели изучить, как измерения корреляции интенсивности можно использовать в фазовой визуализации», — объясняет доктор Лапкевич. При измерении корреляции мы смотрим на пары пикселей и наблюдаем, становятся ли они ярче или темнее одновременно.

«Мы показали, что такие измерения содержат дополнительную информацию, которую невозможно получить с помощью одного изображения, то есть денситометрии. Используя этот факт, мы продемонстрировали, что в интерференционной фазовой микроскопии наблюдения возможны даже тогда, когда стандартные схемы интерферометрии теряют всю информацию о фазе. и не делайте этого. Существует зарегистрированная граница серьезности.

«При стандартном подходе можно было бы предположить, что в таком изображении нет полезной информации. Однако оказывается, что информация скрыта в корреляциях и может быть восстановлена ​​путем анализа множества независимых изображений объекта, что позволяет получить идеальные интерферограммы, хотя нормальные помехи не обнаруживаются из-за шума», — добавляет Лабкевич.

«В нашем эксперименте свет, проходящий через фазовый объект (нашу цель, которую мы хотим исследовать), снабжается эталонным источником света. Между лучами объекта и эталонным светом вводится случайная фазовая задержка — эта фазовая задержка имитирует возмущение, которое затрудняет стандартные методы фазовой визуализации.

«Поэтому при измерении интенсивности не наблюдается никакой интерференции, то есть информация о фазовом объекте не может быть получена из измерений интенсивности. Однако пространственно-зависимая корреляция интенсивность-плотность отображает маргинальную картину, содержащую полную информацию о фазовом объекте.

«На эту корреляцию интенсивности к интенсивности не влияет какой-либо фазовый шум, который изменяется медленнее, чем скорость детектора (около 10 нс в эксперименте), и может быть измерен путем накопления данных в течение сколь угодно длительного периода времени — что является игрой. -changer – чем дольше измерение. Это означает больше фотонов, что означает более высокое Точность«, — объясняет Ежи Ссоневич, первый автор работы.

Проще говоря, если бы нам пришлось записать один кадр пленки, этот единственный кадр не дал бы нам никакой полезной информации о форме изучаемого объекта. «Итак, мы сначала записали полную серию этих кадров с помощью камеры, а затем умножили значения измерений в каждой паре точек из каждого кадра. Мы усреднили эти корреляции и записали полное изображение нашего тела», — объясняет Ежи Шуневич. .

«Существует много возможных способов восстановить фазовый профиль наблюдаемого объекта по серии изображений. Однако мы продемонстрировали, что наш метод, основанный на корреляции интенсивности-интенсивности и так называемой внеосевой голографической технике, обеспечивает оптимальную точность восстановления». », — говорит Станислав Курдзялек, второй автор этой статьи.

Яркая идея для темных помещений

Подход фазовой визуализации на основе корреляции интенсивности может широко использоваться в очень шумных средах. Новый метод работает как с классическим (лазерным и тепловым), так и с квантовым светом. Это также может быть реализовано в Фотон Система счета, например, с использованием однофотонных лавинных диодов. «Мы можем использовать его в тех случаях, когда света мало или когда мы не можем использовать высокую интенсивность света, чтобы не повредить объект, например, деликатный биологический образец или произведение искусства», — объясняет Ежи Зуневич.

«Наша технология расширит горизонты фазовых измерений, включая новые приложения, такие как инфракрасная и рентгеновская визуализация, квантовая и волновая интерферометрия материи», — заключает доктор Лапкевич.

Ссылка: «Помехостойкая фазовая визуализация с корреляцией интенсивности», Ежи Шоневич, Станислав Курдзялек, Санюкта Кондо, Войцех Шолиньский, Радослав Чапкевич, Маюх Лахири и Радек Лапкевич, 22 сентября 2023 г., Развитие науки.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Работа выполнена при поддержке Польского научного фонда в рамках проекта I-Team «Измерения пространственно-временной корреляции фотонов для квантования и микроскопии сверхвысокого разрешения», софинансируемого Европейским Союзом в рамках Европейского фонда регионального развития (POIR.04.04.00). -00)-3004/17 -00). Ежи Шуневич также благодарит Национальный научный центр Польши за поддержку, грант № 2022/45/N/ST2/04249. С. Курдзиалек благодарит за поддержку грант Национального научного центра (Польша) № 2020/37/B/ST2/02134. М. Махири. Выражает признательность за поддержку со стороны Управления военно-морских исследований США под номером награды N00014-23-1-2778.