Billeder skjult i støj afsløret af en kvante-inspireret fase-billedmetode

Forskere ved University of Warszawas Fysiske fakultet har sammen med kolleger fra Stanford University og Oklahoma State University introduceret en kvanteinspireret fasebilledmetode baseret på lysintensitetskorrelationsmålinger, der er robust over for fasestøj.

Den nye billeddannelsesmetode kan fungere selv med ekstremt svag belysning og kan vise sig nyttig i nye applikationer såsom infrarød og røntgeninterferometrisk billeddannelse og kvante- og stofbølgeinterferometri. Resultaterne af forskningen er blevet offentliggjort i Science Advances .

Lige meget om du tager billeder af en kat med din smartphone eller billedcellekulturer med et avanceret mikroskop, gør du dette ved at måle intensiteten (lysstyrken) af lys pixel for pixel. Lys er ikke kun karakteriseret ved dets intensitet, men også af dets fase. Interessant nok kan gennemsigtige objekter blive synlige, hvis du er i stand til at måle faseforsinkelsen af ​​lys, som de introducerer.

Fasekontrastmikroskopi, som Frits Zernike modtog en Nobelpris for i 1953, medførte en revolution inden for biomedicinsk billeddannelse på grund af muligheden for at opnå billeder i høj opløsning af forskellige gennemsigtige og optisk tynde prøver. Forskningsfeltet, der opstod fra Zernikes opdagelse, omfatter moderne billeddannelsesteknikker såsom digital holografi og kvantitativ fasebilleddannelse.

"Det muliggør etiketfri og kvantitativ karakterisering af levende prøver, såsom cellekulturer, og kan finde anvendelser inden for neurobiologi eller cancerforskning" forklarer Dr. Radek Lapkiewicz, leder af Quantum Imaging Laboratory ved Warszawas Universitets Fysiske Fakultet.

Der er dog stadig plads til forbedringer. "For eksempel virker interferometri, en standardmålemetode til præcise tykkelsesmålinger på et hvilket som helst punkt af det undersøgte objekt, kun, når systemet er stabilt, ikke udsat for stød eller forstyrrelser. Det er meget udfordrende at udføre en sådan test, f.eks. for eksempel i en kørende bil eller på et rystende bord," forklarer Jerzy Szuniewcz, en doktorgradsstuderende ved Warszawas Universitets Fysiske fakultet.

Forskere fra Det Fysiske Fakultet ved University of Warszawa med kolleger fra Stanford University og Oklahoma State University besluttede at tackle dette problem og udvikle en ny metode til fasebilleddannelse, der er immun over for faseustabilitet.

Tilbage til den gamle skole

Hvordan kom forskerne på ideen til den nye teknik? Allerede i 1960'erne demonstrerede Leonard Mandel og hans gruppe, at selv når interferens ikke kan spores i intensitet, kan korrelationer afsløre dens tilstedeværelse. "Inspireret af Mandels klassiske eksperimenter ønskede vi at undersøge, hvordan intensitetskorrelationsmålinger kan bruges til fasebilleddannelse," forklarer Lapkiewicz.

I en korrelationsmåling så de på par af pixels og observerede, om de blev lysere eller mørkere på samme tid.

"Vi har vist, at sådanne målinger indeholder yderligere information, som ikke kan opnås ved hjælp af et enkelt foto, dvs. intensitetsmåling. Ved hjælp af denne kendsgerning viste vi, at i fasemikroskopi baseret på interferens er observationer mulige, selv når standardinterferogrammer i gennemsnit mister alle faseinformation, og der er ingen udkanter registreret i intensiteten.

"Med en standardtilgang ville man antage, at der ikke er nogen brugbar information i et sådant billede. Det viser sig dog, at informationen er skjult i korrelationerne og kan gendannes ved at analysere flere uafhængige fotos af et objekt, hvilket giver os mulighed for at opnå perfekte interferogrammer, selvom den almindelige interferens er uopdagelig på grund af støjen", tilføjer Lapkiewicz.

"I vores eksperiment er lyset, der passerer gennem et faseobjekt (vores mål, som vi ønsker at undersøge) overlejret med et referencelys. En tilfældig faseforsinkelse indføres mellem objektet og referencelysstrålerne - denne faseforsinkelse simulerer en forstyrrelse blokering af standardfasebilleddannelsesmetoderne. Følgelig observeres ingen interferens, når intensiteten måles, dvs. ingen information om faseobjektet kan opnås fra intensitetsmålinger.

"Men den rumligt afhængige intensitet-intensitet-korrelation viser et randmønster, der indeholder den komplette information om faseobjektet. Denne intensitet-intensitet-korrelation er upåvirket af enhver tidsmæssig fasestøj, der varierer langsommere end detektorens hastighed (~10 nanosekunder i udført eksperiment) og kan måles ved at indsamle data over en vilkårlig lang periode – hvilket er en game changer – længere måling betyder flere fotoner, hvilket betyder højere nøjagtighed,” forklarer Jerzy Szuniewicz, værkets første forfatter.

Forenklet sagt, hvis vi skulle optage et enkelt filmbillede, ville det enkelte billede ikke give os nogen brugbar information om, hvordan det undersøgte objekt ser ud. "Derfor optog vi først en hel serie af sådanne billeder ved hjælp af et kamera og multiplicerede derefter måleværdierne ved hvert par af punkter fra hvert billede. Vi tog gennemsnittet af disse korrelationer og optog et fuldt billede af vores objekt," forklarer Szuniewicz.

"Der er mange mulige måder at genskabe faseprofilen af ​​et observeret objekt fra en sekvens af billeder. Vi beviste dog, at vores metode baseret på intensitet-intensitet korrelation og en såkaldt off-axis holografiteknik giver en optimal rekonstruktionspræcision." siger Stanisław Kurdziałek, avisens anden forfatter.

En lys idé til mørke omgivelser

En fasebilledmetode baseret på intensitetskorrelation kan bruges i vid udstrækning i meget støjende miljøer. Den nye metode fungerer med både klassisk (laser og termisk) og kvantelys. Det kan også implementeres i fotontællingsregimet, for eksempel ved hjælp af enkeltfoton lavinedioder. "Vi kan bruge det i tilfælde, hvor der er lidt lys tilgængeligt, eller når vi ikke kan bruge høj lysintensitet for ikke at beskadige objektet, for eksempel en delikat biologisk prøve eller et kunstværk," forklarer Szuniewicz.

"Vores teknik vil udvide mulighederne for fasemålinger, herunder nye applikationer såsom infrarød og røntgenbilleddannelse og kvante- og stofbølgeinterferometri," konkluderer Lapkiewicz.

Flere oplysninger: Jerzy Szuniewicz et al., Støjresistent fasebilleddannelse med intensitetskorrelation, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5396

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Warszawa