Μια επαναστατική μέθοδος που αποκαλύπτει εικόνες κρυμμένες στο θόρυβο

Αυτή η καινοτόμος τεχνολογία απεικόνισης εμπνευσμένη από κβαντικά υπερέχει σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, προσφέροντας νέα όρια στην ιατρική απεικόνιση και τη διατήρηση της τέχνης.

Ερευνητές στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας με συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ και το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα παρουσιάζουν μια κβαντική μέθοδο απεικόνισης φάσης που βασίζεται σε μετρήσεις της συσχέτισης της έντασης του ισχυρού φωτός με το θόρυβο φάσης. Η νέα μέθοδος απεικόνισης μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και με πολύ χαμηλό φωτισμό και θα μπορούσε να είναι χρήσιμη σε αναδυόμενες εφαρμογές, όπως η συμβολομετρία υπέρυθρων και ακτίνων Χ, η συμβολομετρία κβαντικών και κυμάτων ύλης.

Επανάσταση στις τεχνικές φωτογραφίας

Ανεξάρτητα από το αν τραβάτε φωτογραφίες γατών με το smartphone σας ή φωτογραφίζετε κυτταροκαλλιέργειες με προηγμένο μικροσκόπιο, το κάνετε μετρώντας την ένταση (φωτεινότητα) του φωτός σε pixel. Το φως χαρακτηρίζεται όχι μόνο από την έντασή του, αλλά και από τη φάση του. Είναι ενδιαφέρον ότι τα διαφανή αντικείμενα μπορούν να γίνουν ορατά εάν μπορείτε να μετρήσετε την υστέρηση φάσης του φωτός που εισάγουν.

Το μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης, για το οποίο ο Fritz Zernecke κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1953, έφερε επανάσταση στη βιοϊατρική απεικόνιση λόγω της δυνατότητας λήψης εικόνων υψηλής ανάλυσης διαφόρων διαφανών και οπτικά λεπτών δειγμάτων. Το πεδίο έρευνας που προέκυψε από την ανακάλυψη του Zernike περιλαμβάνει σύγχρονες τεχνικές απεικόνισης όπως η ψηφιακή ολογραφία και η ποσοτική απεικόνιση φάσης.

«Επιτρέπει τον ποσοτικό, χωρίς ετικέτες χαρακτηρισμό ζωντανών δειγμάτων, όπως κυτταροκαλλιέργειες, και θα μπορούσε να βρει εφαρμογές στη νευροβιολογία ή την έρευνα για τον καρκίνο», εξηγεί ο Δρ. Radek Lapkiewicz, Επικεφαλής του Εργαστηρίου Ποσοτικής Απεικόνισης στη Σχολή Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Βαρσοβία.

Απεικόνιση φάσης με αντίσταση στον θόρυβο με συσχέτιση έντασης, πίστωση: Σχολή Φυσικής, Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας

Προκλήσεις και καινοτομίες στο στάδιο της φωτογραφίας

Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη περιθώρια βελτίωσης. «Για παράδειγμα, η συμβολομετρία, η οποία είναι μια τυπική μέθοδος μέτρησης για ακριβείς μετρήσεις πάχους σε οποιοδήποτε σημείο του υπό έρευνα αντικειμένου, λειτουργεί μόνο όταν το σύστημα είναι σταθερό, δεν εκτίθεται σε κραδασμούς ή διαταραχές», εξηγεί ο Jerzy Szoniewicz, διδακτορικός φοιτητής στο Σχολή Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας Είναι πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθεί μια τέτοια δοκιμή, για παράδειγμα, σε ένα κινούμενο αυτοκίνητο ή σε ένα δονούμενο τραπέζι.

Ερευνητές από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας μαζί με συναδέλφους από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα αποφάσισαν να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα και να αναπτύξουν μια νέα μέθοδο για την απεικόνιση φάσης που είναι ανοσία στις αστάθειες φάσης. Τα αποτελέσματα της έρευνάς τους δημοσιεύτηκαν στο έγκριτο περιοδικό Η πρόοδος της επιστήμης.

Επιστροφή στο παλιό σχολείο

Πώς κατέληξαν οι ερευνητές στην ιδέα της νέας τεχνολογίας; Ο Leonard Mandel και η ομάδα του απέδειξαν στη δεκαετία του 1960 ότι ακόμη και όταν η ένταση της παρεμβολής δεν είναι ανιχνεύσιμη, οι συσχετισμοί μπορούν να αποκαλύψουν την παρουσία της.

«Εμπνευσμένοι από τα κλασικά πειράματα Mandel, θέλαμε να μελετήσουμε πώς οι μετρήσεις συσχέτισης έντασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην απεικόνιση φάσης», εξηγεί ο Δρ Lapkiewicz. Στη μέτρηση συσχέτισης, κοιτάμε ζεύγη εικονοστοιχείων και παρατηρούμε αν γίνονται πιο φωτεινά ή πιο σκούρα ταυτόχρονα.

“Δείξαμε ότι τέτοιες μετρήσεις περιέχουν πρόσθετες πληροφορίες που δεν μπορούν να ληφθούν χρησιμοποιώντας μια μεμονωμένη εικόνα, δηλ. πυκνομετρία. Χρησιμοποιώντας αυτό το γεγονός, δείξαμε ότι στη μικροσκοπία φάσης με βάση παρεμβολές, οι παρατηρήσεις είναι δυνατές ακόμη και όταν τα τυπικά μοτίβα συμβολομετρίας χάνουν όλες τις πληροφορίες φάσης και όχι Υπάρχει εγγεγραμμένο περιθώριο σοβαρότητας.

“Με την τυπική προσέγγιση, θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι δεν υπάρχουν χρήσιμες πληροφορίες σε μια τέτοια εικόνα. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι οι πληροφορίες είναι κρυμμένες στους συσχετισμούς και μπορούν να ανακτηθούν με την ανάλυση πολλαπλών ανεξάρτητων εικόνων ενός αντικειμένου, επιτρέποντάς μας να λάβουμε ιδανικά παρεμβολογράμματα, σε Αν και η κανονική παρεμβολή δεν είναι ανιχνεύσιμη λόγω θορύβου.

“Στο πείραμά μας, το φως που διέρχεται από ένα αντικείμενο φάσης (ο στόχος μας, τον οποίο θέλουμε να εξετάσουμε) επικαλύπτεται με ένα φως αναφοράς. Μια τυχαία καθυστέρηση φάσης εισάγεται μεταξύ των ακτίνων του αντικειμένου και του φωτός αναφοράς – αυτή η καθυστέρηση φάσης μιμείται διαταραχή που εμποδίζει τις τυπικές μεθόδους απεικόνισης φάσης.

“Ως εκ τούτου, δεν παρατηρούνται παρεμβολές κατά τη μέτρηση της έντασης, δηλ. πληροφορίες για το αντικείμενο φάσης δεν μπορούν να ληφθούν από μετρήσεις έντασης. Ωστόσο, η χωρικά εξαρτώμενη συσχέτιση έντασης-πυκνότητας εμφανίζει ένα οριακό μοτίβο που περιέχει τις πλήρεις πληροφορίες για το αντικείμενο φάσης.

«Αυτή η συσχέτιση έντασης-έντασης δεν επηρεάζεται από κανένα θόρυβο χρονικής φάσης που ποικίλλει πιο αργά από την ταχύτητα του ανιχνευτή (~10 ns στο πείραμα που εκτελέστηκε) και μπορεί να μετρηθεί με τη συσσώρευση δεδομένων σε μια αυθαίρετα μεγάλη χρονική περίοδο – που είναι Μια μεγαλύτερη μέτρηση σημαίνει περισσότερα φωτόνια, που μεταφράζεται υψηλότερα Ακρίβεια», εξηγεί ο Jerzy Ssoniewicz, πρώτος συγγραφέας του έργου.

Με απλά λόγια, αν ηχογραφούσαμε ένα μόνο καρέ φιλμ, αυτό το μεμονωμένο καρέ δεν θα μας έδινε καμία χρήσιμη πληροφορία για το σχήμα του υπό μελέτη αντικειμένου. “Έτσι, πρώτα καταγράψαμε μια πλήρη σειρά από αυτά τα καρέ χρησιμοποιώντας την κάμερα και στη συνέχεια πολλαπλασιάσαμε τις τιμές μέτρησης σε κάθε ζευγάρι σημείων από κάθε καρέ. Υπολογίσαμε τον μέσο όρο αυτών των συσχετίσεων και καταγράψαμε μια πλήρη εικόνα του σώματός μας”, εξηγεί ο Jerzy Szuniewicz. .

“Υπάρχουν πολλοί πιθανοί τρόποι ανάκτησης του προφίλ φάσης ενός παρατηρούμενου αντικειμένου από μια σειρά εικόνων. “Ωστόσο, έχουμε αποδείξει ότι η μέθοδός μας που βασίζεται στη συσχέτιση έντασης-έντασης και τη λεγόμενη ολογραφική τεχνική εκτός άξονα παρέχει βέλτιστη ακρίβεια ανακατασκευής », λέει ο Stanislaw Kurdzialek. , ο δεύτερος συγγραφέας αυτής της εργασίας.

Μια φωτεινή ιδέα για σκοτεινά περιβάλλοντα

Η προσέγγιση απεικόνισης φάσης με βάση τη συσχέτιση έντασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολύ θορυβώδη περιβάλλοντα. Η νέα μέθοδος λειτουργεί τόσο με κλασικό (λέιζερ και θερμικό) όσο και με κβαντικό φως. Μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε Φωτόνιο Σύστημα μέτρησης, για παράδειγμα με χρήση διόδων χιονοστιβάδας ενός φωτονίου. «Μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε σε περιπτώσεις όπου υπάρχει λίγο διαθέσιμο φως ή όταν δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε υψηλή ένταση φωτός για να μην καταστρέψουμε το αντικείμενο, για παράδειγμα, ένα ευαίσθητο βιολογικό δείγμα ή ένα έργο τέχνης», εξηγεί ο Jerzy Zuniewicz.

«Η τεχνολογία μας θα επεκτείνει τους ορίζοντες στις μετρήσεις φάσης, συμπεριλαμβανομένων των αναδυόμενων εφαρμογών όπως η απεικόνιση υπερύθρων και ακτίνων Χ, η κβαντική συμβολομετρία και το κύμα ύλης», καταλήγει ο Δρ Lapkiewicz.

Αναφορά: «Απεικόνιση φάσης ανθεκτικής στον θόρυβο με συσχέτιση έντασης» από τους Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Szoliński, Radosław Czapekiewicz, Mayukh Lahiri και Radek Lapkiewicz, 22 Σεπτεμβρίου 20 Η πρόοδος της επιστήμης.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Πολωνικό Ίδρυμα Επιστημών στο πλαίσιο του έργου I-Team «Χωροχρονικές μετρήσεις συσχέτισης φωτονίων για ποσοτικοποίηση και μικροσκοπία υπερ-ανάλυσης» που συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Ταμείου Περιφερειακής Ανάπτυξης (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Ο Jerzy Szuniewicz αναγνωρίζει επίσης την υποστήριξη από το Εθνικό Κέντρο Επιστημών της Πολωνίας, με αριθμό επιχορήγησης 2022/45/N/ST2/04249. Ο S. Kurdzialek αναγνωρίζει την υποστήριξη από το National Science Center Grant (Πολωνία) No. 2020/37/B/ST2/02134. Μ. Μαχίρη. Αναγνωρίζει την υποστήριξη από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών των Ηνωμένων Πολιτειών με τον Αριθμό Βραβείου N00014-23-1-2778.