Táto inovatívna kvantovo inšpirovaná zobrazovacia technológia vyniká pri slabom osvetlení a ponúka nové hranice v medicínskom zobrazovaní a uchovávaní umenia.

Vedci z Fakulty fyziky Varšavskej univerzity s kolegami zo Stanfordskej univerzity a Štátnej univerzity v Oklahome predstavujú metódu fázového zobrazovania inšpirovanú kvantom založenú na meraniach korelácie silnej intenzity svetla s fázovým šumom. Nová zobrazovacia metóda môže pracovať aj pri veľmi slabom osvetlení a mohla by byť užitočná v nových aplikáciách, ako je infračervená a röntgenová interferometria, kvantová a hmotovo-vlnová interferometria.

Revolúcia vo fotografických technikách

Bez ohľadu na to, či fotíte mačky pomocou smartfónu alebo fotíte bunkové kultúry pomocou pokročilého mikroskopu, robíte to meraním intenzity (jasu) svetla v pixeloch. Svetlo je charakteristické nielen svojou intenzitou, ale aj fázou. Je zaujímavé, že priehľadné objekty sa môžu stať viditeľnými, ak dokážete zmerať fázové oneskorenie svetla, ktoré vnášajú.

Mikroskopia s fázovým kontrastom, za ktorú Fritz Zernecke získal Nobelovu cenu v roku 1953, spôsobila revolúciu v biomedicínskom zobrazovaní vďaka možnosti získať obrázky rôznych transparentných a opticky tenkých vzoriek s vysokým rozlíšením. Oblasť výskumu, ktorá vzišla zo Zernikeho objavu, zahŕňa moderné zobrazovacie techniky, ako je digitálna holografia a kvantitatívne fázové zobrazovanie.

„Umožňuje kvantitatívnu charakterizáciu živých vzoriek bez značenia, ako sú bunkové kultúry, a mohol by nájsť uplatnenie v neurobiológii alebo výskume rakoviny,“ vysvetľuje Dr. Radek Lapkiewicz, vedúci Laboratória kvantitatívneho zobrazovania na Fyzikálnej fakulte Univerzity. Varšava.

Zobrazovanie fázy odolné voči šumu s koreláciou intenzity, kredit: Fyzikálna fakulta Varšavskej univerzity

Výzvy a inovácie vo fáze fotografie

Stále je však čo zlepšovať. „Napríklad interferometria, ktorá je štandardnou meracou metódou na presné meranie hrúbky v ktoromkoľvek bode skúmaného objektu, funguje len vtedy, keď je systém stabilný, nie je vystavený žiadnym otrasom alebo poruchám,“ vysvetľuje doktorand Jerzy Szoniewicz. Fyzikálna fakulta Varšavskej univerzity.Vykonať takýto test napríklad v idúcom aute alebo na vibračnom stole je veľmi ťažké.

Výskumníci z Fakulty fyziky Varšavskej univerzity spolu s kolegami zo Stanfordskej univerzity a Štátnej univerzity v Oklahome sa rozhodli tento problém riešiť a vyvinúť novú metódu fázového zobrazovania, ktorá je imúnna voči fázovým nestabilitám. Výsledky ich výskumu zverejnil prestížny časopis Pokrok vedy.

Späť do starej školy

Ako prišli výskumníci na myšlienku novej technológie? Leonard Mandel a jeho skupina v šesťdesiatych rokoch minulého storočia demonštrovali, že aj keď interferencia nie je zistiteľná v intenzite, korelácie môžu odhaliť jej prítomnosť.

„Inšpirovaní klasickými Mandelovými experimentmi sme chceli študovať, ako možno použiť merania korelácie intenzity vo fázovom zobrazovaní,“ vysvetľuje Dr. Lapkiewicz. Pri korelačnom meraní sa pozeráme na páry pixelov a sledujeme, či sa zároveň rozjasnia alebo stmavnú.

„Ukázali sme, že takéto merania obsahujú ďalšie informácie, ktoré nie je možné získať pomocou jedného obrazu, t. j. denzitometriou. Pomocou tejto skutočnosti sme preukázali, že vo fázovej mikroskopii založenej na interferencii sú pozorovania možné aj vtedy, keď štandardné interferometrické obrazce stratia všetky informácie o fáze.“ a nie Existuje registrovaná hranica závažnosti.

„Pri štandardnom prístupe by sa dalo predpokladať, že v takomto obrázku nie sú žiadne užitočné informácie. Ukazuje sa však, že informácie sú skryté v koreláciách a možno ich získať analýzou viacerých nezávislých obrázkov objektu, čo nám umožňuje získať ideálne interferogramy, zapnuté Hoci bežné rušenie je kvôli šumu nezistiteľné,“ dodáva Labkiewicz.

„V našom experimente je svetlo prechádzajúce cez fázový objekt (náš cieľ, ktorý chceme skúmať) vybavené referenčným svetlom. Medzi lúčmi objektu a referenčným svetlom sa zavádza náhodné fázové oneskorenie – toto fázové oneskorenie napodobňuje porucha, ktorá bráni štandardným metódam fázového zobrazovania.

„Pri meraní intenzity teda nie je pozorovaná žiadna interferencia, t. j. informácie o fázovom objekte nemožno získať z meraní intenzity. Priestorovo závislá korelácia intenzity a hustoty však zobrazuje okrajový vzor, ​​ktorý obsahuje úplné informácie o fázovom objekte.

„Táto korelácia intenzity a intenzity nie je ovplyvnená žiadnym časovým fázovým šumom, ktorý sa mení pomalšie ako rýchlosť detektora (asi 10 ns v experimente) a dá sa merať zhromažďovaním údajov počas ľubovoľne dlhého časového obdobia – čo je hra. -menič – čím dlhšie meranie Znamená to viac fotónov, čo znamená vyššie Presnosť“, vysvetľuje Jerzy Ssoniewicz, prvý autor diela.

Jednoducho povedané, ak by sme mali zaznamenať jedno políčko filmu, toto jedno políčko by nám neposkytlo žiadnu užitočnú informáciu o tvare skúmaného objektu. „Najskôr sme pomocou fotoaparátu zaznamenali kompletnú sériu týchto snímok a potom sme znásobili namerané hodnoty v každom páre bodov z každého snímku. Tieto korelácie sme spriemerovali a zaznamenali úplný obraz nášho tela,“ vysvetľuje Jerzy Szuniewicz. .

„Existuje mnoho možných spôsobov, ako obnoviť fázový profil pozorovaného objektu zo série snímok.“ Preukázali sme však, že naša metóda založená na korelácii intenzity a intenzity a takzvanej off-axis holografickej technike poskytuje optimálnu presnosť rekonštrukcie. ,“ hovorí Stanislaw Kurdzialek. , druhý autor tohto článku.

Skvelý nápad do tmavého prostredia

Fázový zobrazovací prístup založený na korelácii intenzity môže byť široko používaný vo veľmi hlučnom prostredí. Nová metóda pracuje s klasickým (laserovým a tepelným) aj kvantovým svetlom. Dá sa implementovať aj v Fotón Systém počítania, napríklad pomocou jednofotónových lavínových diód. „Môžeme ho použiť v prípadoch, keď je k dispozícii málo svetla alebo keď nemôžeme použiť vysokú intenzitu svetla, aby sme nepoškodili objekt, napríklad jemný biologický exemplár alebo umelecké dielo,“ vysvetľuje Jerzy Zuniewicz.

„Naša technológia rozšíri horizonty fázových meraní, vrátane nových aplikácií, ako je infračervené a röntgenové zobrazovanie, kvantová a hmotová vlnová interferometria,“ uzatvára Dr. Lapkiewicz.

Odkaz: „Fázové zobrazovanie odolné voči šumu s koreláciou intenzity“ od Jerzyho Szoniewicza, Stanisława Kurdzialka, Sanjukta Konda, Wojciecha Šolińského, Radosława Čapkiewicza, Majukha Lahiriho a Radka Lapkiewicza, 22. septembra 2023, Pokrok vedy.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Túto prácu podporila Poľská vedecká nadácia v rámci projektu I-Team “Spatiotemporal photon correlation measurements for quantization and super-resolution microscopy” spolufinancovaného Európskou úniou v rámci Európskeho fondu regionálneho rozvoja (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz tiež oceňuje podporu od Národného vedeckého centra v Poľsku, grant č. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek oceňuje podporu z grantu Národného vedeckého centra (Poľsko) č. 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Oceňuje podporu Úradu námorného výskumu Spojených štátov amerických pod číslom ocenenia N00014-23-1-2778.