Револуционарна метода која открива слике скривене у буци

Ова иновативна квантно инспирисана технологија снимања истиче се у условима слабог осветљења, нудећи нове границе у медицинском снимању и очувању уметности.

Истраживачи са Факултета физике Универзитета у Варшави са колегама са Универзитета Станфорд и Државног универзитета Оклахома представљају квантно инспирисан метод фазног снимања заснован на мерењу корелације јаког интензитета светлости и фазног шума. Нова метода снимања може да ради чак и при веома слабом осветљењу, и могла би бити корисна у новим апликацијама, као што су инфрацрвена и рендгенска интерферометрија, квантна интерферометрија и интерферометрија материја таласа.

Револуција у фотографским техникама

Без обзира да ли сликате мачке паметним телефоном или сликате ћелијске културе напредним микроскопом, то радите мерењем интензитета (осветљености) светлости у пикселима. Светлост карактерише не само њен интензитет, већ и фаза. Занимљиво је да прозирни објекти могу постати видљиви ако сте у могућности да измерите фазно кашњење светлости које уносе.

Фазноконтрастна микроскопија, за коју је Фриц Зернеке добио Нобелову награду 1953. године, револуционирала је биомедицинско снимање због могућности добијања слика високе резолуције различитих провидних и оптички танких узорака. Поље истраживања које је произашло из Зерникеовог открића укључује модерне технике снимања као што су дигитална холографија и квантитативно фазно снимање.

„Омогућава квантитативну карактеризацију живих узорака без ознака, као што су ћелијске културе, и може наћи примену у неуробиологији или истраживању рака“, објашњава др Радек Лапкиевицз, шеф Лабораторије за квантитативно снимање на Физичком факултету Универзитета у Варшава.

Фазно снимање отпорно на буку са корелацијом интензитета, кредит: Физички факултет Универзитета у Варшави

Изазови и иновације у фази фотографије

Међутим, још увек има простора за побољшање. „На пример, интерферометрија, која је стандардни метод мерења за прецизна мерења дебљине у било којој тачки испитиваног објекта, функционише само када је систем стабилан, није изложен ударцима или сметњама“, објашњава Јерзи Сзониевицз, докторанд на Факултет физике Универзитета у Варшави.Такав тест је веома тешко извести, на пример, у аутомобилу у покрету или на вибрационом столу.

Истраживачи са Факултета физике Универзитета у Варшави заједно са колегама са Универзитета Станфорд и Државног универзитета Оклахома одлучили су да се позабаве овим проблемом и развију нову методу за фазно снимање која је имуна на фазне нестабилности. Резултати њиховог истраживања објављени су у престижном часопису Унапређење науке.

Назад у стару школу

Како су истраживачи дошли на идеју о новој технологији? Леонард Мандел и његова група су 1960-их демонстрирали да чак и када се интерференција не може открити у интензитету, корелације могу открити њено присуство.

„Инспирисани класичним Манделовим експериментима, желели смо да проучимо како се мерења корелације интензитета могу користити у фазном снимању“, објашњава др Лапкиевич. У мерењу корелације, посматрамо парове пиксела и посматрамо да ли постају светлији или тамнији у исто време.

„Показали смо да таква мерења садрже додатне информације које се не могу добити помоћу једне слике, односно дензитометрије. Користећи ову чињеницу, показали смо да су у фазној микроскопији заснованој на интерференцији посматрања могућа чак и када стандардни обрасци интерферометрије изгубе све информације о фази а не Постоји регистрована граница озбиљности.

„Са стандардним приступом, могло би се претпоставити да у таквој слици нема корисних информација. Међутим, испоставило се да су информације скривене у корелацијама и да се могу повратити анализом више независних слика објекта, што нам омогућава да добијемо идеални интерферограми, на Иако се нормалне сметње не могу детектовати због буке“, додаје Лабкиевицз.

„У нашем експерименту, светлост која пролази кроз фазни објекат (наш циљ, који желимо да испитамо) је опремљена референтним светлом. Насумично фазно кашњење се уводи између зрака објекта и референтног светла – ово фазно кашњење имитира поремећај који омета стандардне методе фазног снимања.

„Због тога се не примећује сметња приликом мерења интензитета, односно информације о фазном објекту се не могу добити из мерења интензитета. Међутим, просторно зависна корелација интензитет-густина приказује маргинални образац који садржи пуну информацију о фазном објекту.“

„На ову корелацију интензитет-интензитет не утиче никакав шум временске фазе који варира спорије од брзине детектора (око 10 нс у експерименту) и може се мерити акумулацијом података током произвољно дугог временског периода – што је игра -промена – што дуже мерење То значи више фотона, што значи више Прецизност“, објашњава Јерзи Ссониевицз, први аутор дела.

Једноставно речено, ако бисмо снимили један кадар филма, тај појединачни кадар нам не би дао никакву корисну информацију о облику предмета који се проучава. „Дакле, прво смо снимили комплетну серију ових кадрова помоћу камере, а затим помножили вредности мерења на сваком пару тачака из сваког кадра. Усредњавали смо ове корелације и снимили комплетну слику нашег тела“, објашњава Јерзи Сзуниевицз .

„Постоји много могућих начина да се поврати фазни профил посматраног објекта из серије слика. „Међутим, показали смо да наш метод заснован на корелацији интензитет-интензитет и такозвана холографска техника ван осе обезбеђује оптималну тачност реконструкције “, каже Станислав Курдзиалек, други аутор овог рада.

Светла идеја за мрачна окружења

Приступ фазног снимања заснован на корелацији интензитета може се широко користити у веома бучним окружењима. Нова метода ради и са класичном (ласерском и термалном) и квантном светлошћу. Такође се може имплементирати у Пхотон Систем за бројање, на пример коришћењем једнофотонских лавинских диода. „Можемо га користити у случајевима када је доступно мало светла или када не можемо да користимо висок интензитет светлости да не бисмо оштетили објекат, на пример, деликатан биолошки примерак или уметничко дело“, објашњава Јерзи Зуниевицз.

„Наша технологија ће проширити хоризонте у фазним мерењима, укључујући нове апликације као што су инфрацрвено и рендгенско снимање, квантна и интерферометрија таласа материје“, закључује др Лапкиевицз.

Референца: „Фазна слика отпорна на буку са корелацијом интензитета“ од Јерзи Сзониевицз, Станисłав Курдзиалек, Сањукта Кондо, Војциецх Шолински, Радосłав Чапкиевицз, Мајукх Лахири и Радек Лапкиевицз, 22. септембар 2023. Унапређење науке.
дои: 10.1126/сциадв.адх5396

Овај рад је подржала Пољска фондација за науку у оквиру И-Теам пројекта „Просторно временска фотонска корелација мерења за квантизацију и микроскопију супер-резолуције“ који суфинансира Европска унија у оквиру Европског фонда за регионални развој (ПОИР.04.04.00). -00)-3004/17 -00). Јерзи Сзуниевицз такође признаје подршку Националног научног центра, Пољска, Грант бр. 2022/45/Н/СТ2/04249. С. Курдзиалек признаје подршку гранта Националног научног центра (Пољска) бр. 2020/37/Б/СТ2/02134. М. Махири. Прихваћа подршку Канцеларије за поморска истраживања Сједињених Држава под бројем награде Н00014-23-1-2778.