Een revolutionaire methode die in ruis verborgen beelden onthult

Deze innovatieve, op kwantum geïnspireerde beeldtechnologie blinkt uit bij weinig licht en biedt nieuwe grenzen op het gebied van medische beeldvorming en kunstconservering.

Onderzoekers van de University of Warsaw School of Physics presenteren samen met collega's van Stanford University en Oklahoma State University een kwantum-geïnspireerde fasebeeldvormingsmethode gebaseerd op metingen van de correlatie van sterke lichtintensiteit met faseruis. De nieuwe beeldvormingsmethode kan zelfs bij zeer weinig licht werken en kan nuttig zijn bij opkomende toepassingen, zoals infrarood- en röntgeninterferometrie, kwantum- en materiegolf-interferometrie.

Een revolutie in fotografietechnieken

Of je nu kattenfoto's maakt met je smartphone of foto's maakt van celculturen met een geavanceerde microscoop, je doet dit door de intensiteit (helderheid) van licht in pixels te meten. Licht wordt niet alleen gekenmerkt door zijn intensiteit, maar ook door zijn fase. Interessant is dat transparante objecten zichtbaar kunnen worden als je de fasevertraging van het licht dat ze introduceren kunt meten.

Fasecontrastmicroscopie, waarvoor Fritz Zernecke in 1953 de Nobelprijs won, bracht een revolutie teweeg in de biomedische beeldvorming vanwege de mogelijkheid om hogeresolutiebeelden te verkrijgen van verschillende transparante en optisch dunne exemplaren. Het onderzoeksgebied dat voortkwam uit de ontdekking van Zernike omvat moderne beeldvormingstechnieken zoals digitale holografie en kwantitatieve fasebeeldvorming.

“Het maakt kwantitatieve, labelvrije karakterisering van levende monsters, zoals celculturen, mogelijk en zou toepassingen kunnen vinden in de neurobiologie of kankeronderzoek”, legt Dr. Radek Lapkiewicz uit, hoofd van het Quantitative Imaging Laboratory aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau.

Ruisresistieve fasebeeldvorming met intensiteitscorrelatie, credit: Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau

Uitdagingen en innovaties in de fotografiefase

Er is echter nog ruimte voor verbetering. “Interferometrie, een standaard meetmethode voor nauwkeurige diktemetingen op elk punt van het onderzochte object, werkt bijvoorbeeld alleen als het systeem stabiel is en niet wordt blootgesteld aan schokken of verstoringen”, legt Jerzy Szoniewicz uit, een promovendus aan het Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau Het is erg moeilijk om zo'n test uit te voeren, bijvoorbeeld in een rijdende auto of op een trillende tafel.

Onderzoekers van de School of Physics van de Universiteit van Warschau besloten samen met collega's van Stanford University en Oklahoma State University dit probleem aan te pakken en een nieuwe methode voor fasebeeldvorming te ontwikkelen die immuun is voor fase-instabiliteiten. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Vooruitgang van de wetenschap.

Terug naar de oude school

Hoe kwamen onderzoekers op het idee van de nieuwe technologie? Leonard Mandel en zijn groep hebben in de jaren zestig aangetoond dat zelfs wanneer interferentie qua intensiteit niet waarneembaar is, correlaties de aanwezigheid ervan kunnen onthullen.

“Geïnspireerd door de klassieke Mandel-experimenten wilden we bestuderen hoe intensiteitscorrelatiemetingen kunnen worden gebruikt bij fasebeeldvorming”, legt Dr. Lapkiewicz uit. Bij correlatiemetingen kijken we naar paren pixels en kijken of ze tegelijkertijd helderder of donkerder worden.

“We hebben aangetoond dat dergelijke metingen aanvullende informatie bevatten die niet kan worden verkregen met behulp van een enkel beeld, dat wil zeggen densitometrie. Met behulp van dit feit hebben we aangetoond dat bij op interferentie gebaseerde fasemicroscopie observaties mogelijk zijn, zelfs wanneer standaard interferometriepatronen alle fase-informatie verliezen. en niet. Er is een geregistreerde marge van ernst.

“Met de standaardbenadering zou je kunnen aannemen dat er geen bruikbare informatie in zo'n afbeelding zit. Het blijkt echter dat de informatie verborgen is in de correlaties en kan worden teruggevonden door meerdere onafhankelijke afbeeldingen van een object te analyseren, waardoor we kunnen verkrijgen ideale interferogrammen, hoewel normale interferentie door ruis niet waarneembaar is”, voegt Labkiewicz toe.

“In ons experiment wordt licht dat door een faseobject gaat (ons doel, dat we willen onderzoeken) uitgerust met een referentielicht. Er wordt een willekeurige fasevertraging geïntroduceerd tussen de stralen van het object en het referentielicht – deze fasevertraging bootst een verstoring die standaard fasebeeldvormingsmethoden belemmert.

“Daarom wordt er geen interferentie waargenomen bij het meten van de intensiteit, dat wil zeggen dat informatie over het faseobject niet kan worden verkregen uit intensiteitsmetingen. De ruimtelijk afhankelijke correlatie tussen intensiteit en dichtheid vertoont echter een marginaal patroon dat de volledige informatie over het faseobject bevat.

“Deze intensiteit-tot-intensiteitscorrelatie wordt niet beïnvloed door enige tijdfaseruis die langzamer varieert dan de detectorsnelheid (ongeveer 10 ns in het experiment) en kan worden gemeten door gegevens over een willekeurig lange tijdsperiode te verzamelen – wat een spel is. -wisselaar – de langere meting Het betekent meer fotonen, wat zich vertaalt naar hoger Nauwkeurigheid“, legt Jerzy Ssoniewicz, eerste auteur van het werk, uit.

Simpel gezegd: als we één enkel filmframe zouden opnemen, zou dat ene frame ons geen bruikbare informatie geven over de vorm van het object dat we bestuderen. “Dus hebben we eerst een volledige reeks van deze frames opgenomen met behulp van de camera en vervolgens de meetwaarden op elk paar punten van elk frame vermenigvuldigd. We hebben deze correlaties gemiddeld en een volledig beeld van ons lichaam vastgelegd”, legt Jerzy Szuniewicz uit. .

“Er zijn veel manieren mogelijk om het faseprofiel van een waargenomen object uit een reeks beelden te achterhalen. We hebben echter aangetoond dat onze methode, gebaseerd op intensiteit-intensiteitscorrelatie en de zogenaamde off-axis holografische techniek, een optimale reconstructienauwkeurigheid biedt.” ”, zegt Stanislaw Kurdzialek., de tweede auteur van dit artikel.

Een slim idee voor donkere omgevingen

De op intensiteitscorrelatie gebaseerde fasebeeldvormingsbenadering kan op grote schaal worden gebruikt in zeer luidruchtige omgevingen. De nieuwe methode werkt met zowel klassiek (laser en thermisch) als kwantumlicht. Het kan ook worden geïmplementeerd in Foton Telsysteem, bijvoorbeeld met behulp van lawinediodes met enkele foton. “We kunnen het gebruiken in gevallen waarin er weinig licht beschikbaar is of wanneer we geen hoge lichtintensiteit kunnen gebruiken om het object, bijvoorbeeld een delicaat biologisch exemplaar of een kunstwerk, niet te beschadigen”, legt Jerzy Zuniewicz uit.

“Onze technologie zal de horizon op het gebied van fasemetingen verbreden, inclusief opkomende toepassingen zoals infrarood- en röntgenbeeldvorming, kwantum- en materiegolfinterferometrie”, concludeert Dr. Lapkiewicz.

Referentie: “Geluidsbestendige fasebeeldvorming met intensiteitscorrelatie” door Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri en Radek Lapkiewicz, 22 september 2023, Vooruitgang van de wetenschap.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Dit werk werd ondersteund door de Polish Science Foundation in het kader van het I-Team-project “Spatiotemporal photon correlatiemetingen voor kwantisering en superresolutiemicroscopie”, medegefinancierd door de Europese Unie in het kader van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling (POIR.04.04.00). -00)-3004/17-00). Jerzy Szuniewicz erkent ook de steun van het National Science Centre, Polen, Grant No. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek erkent de steun van National Science Center Grant (Polen) nr. 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Erkent steun van het United States Office of Naval Research onder onderscheidingnummer N00014-23-1-2778.