Революционен метод, който разкрива изображения, скрити в шума

Тази иновативна, вдъхновена от квантовите технологии технология за изображения се справя отлично при условия на слаба светлина, предлагайки нови граници в медицинските изображения и консервацията на изкуството.

Изследователи от Факултета по физика на Университета във Варшава с колеги от Станфордския университет и Държавния университет на Оклахома представят квантово вдъхновен метод за фазово изобразяване, базиран на измервания на корелацията на силния интензитет на светлината към фазовия шум. Новият метод за изображения може да работи дори при много слаба светлина и може да бъде полезен в нововъзникващи приложения, като инфрачервена и рентгенова интерферометрия, квантова и материя-вълнова интерферометрия.

Революция във фотографските техники

Независимо дали правите снимки на котки със своя смартфон или снимате клетъчни култури с усъвършенстван микроскоп, вие правите това чрез измерване на интензитета (яркостта) на светлината в пиксели. Светлината се характеризира не само със своя интензитет, но и със своята фаза. Интересното е, че прозрачните обекти могат да станат видими, ако сте в състояние да измерите фазовото забавяне на светлината, което въвеждат.

Фазово-контрастната микроскопия, за която Фриц Зернеке спечели Нобелова награда през 1953 г., направи революция в биомедицинските изображения поради възможността за получаване на изображения с висока разделителна способност на различни прозрачни и оптически тънки проби. Областта на изследване, възникнала от откритието на Zernike, включва съвременни техники за изобразяване като дигитална холография и количествено фазово изобразяване.

„Той дава възможност за количествено характеризиране без етикети на живи проби, като клетъчни култури, и може да намери приложения в невробиологията или изследванията на рака“, обяснява д-р Радек Лапкевич, ръководител на лабораторията за количествени изображения във Физическия факултет на Университета на Варшава.

Шуморезистивно фазово изображение с корелация на интензитета, кредит: Факултет по физика, Варшавски университет

Предизвикателства и иновации в етапа на фотографията

Все още обаче има място за подобрение. „Например интерферометрията, която е стандартен метод за измерване на точни измервания на дебелината във всяка точка на обекта, който се изследва, работи само когато системата е стабилна и не е подложена на никакви удари или смущения.“ „Много е трудно да се извършете такъв тест, например в движеща се кола или на вибрираща маса“, обяснява Йежи Шоневич, докторант във Физическия факултет на Варшавския университет.

Изследователи от Училището по физика на Варшавския университет заедно с колеги от Станфордския университет и Държавния университет на Оклахома решиха да се справят с този проблем и да разработят нов метод за фазово изобразяване, който е имунизиран срещу фазови нестабилности. Резултатите от изследването им са публикувани в престижното списание Напредък на науката.

Обратно към старото училище

Как изследователите стигнаха до идеята за новата технология? Леонард Мандел и неговата група демонстрираха през 60-те години на миналия век, че дори когато интензивността на смущението не се открива, корелациите могат да разкрият неговото присъствие.

„Вдъхновени от класическите експерименти на Мандел, ние искахме да проучим как корелационните измервания на интензитета могат да се използват във фазово изобразяване“, обяснява д-р Лапкевич. При измерване на корелация разглеждаме двойки пиксели и наблюдаваме дали стават по-ярки или по-тъмни едновременно.

„Ние показахме, че такива измервания съдържат допълнителна информация, която не може да бъде получена с помощта на едно изображение, т.е. денситометрия. Използвайки този факт, ние демонстрирахме, че при фазова микроскопия, базирана на смущения, наблюденията са възможни дори когато стандартните интерферограми губят цялата информация за фазата и не Има регистрирана граница на строгост.

„Със стандартния подход може да се предположи, че в такова изображение няма полезна информация. Оказва се обаче, че информацията е скрита в корелациите и може да бъде възстановена чрез анализиране на множество независими изображения на обект, което ни позволява да получим идеални интерферограми, въпреки че нормалната интерференция е неоткриваема поради шума,” добавя Labkiewicz.

„В нашия експеримент светлината, преминаваща през фазов обект (нашата цел, която искаме да изследваме), се наслагва с референтна светлина. Въвежда се произволно фазово забавяне между лъчите на обекта и референтната светлина – това фазово забавяне имитира смущение, което възпрепятства стандартните методи за фазово изобразяване.

„Следователно не се наблюдава смущение при измерване на интензитета, т.е. информация за фазовия обект не може да бъде получена от измервания на интензитета. Въпреки това, пространствено зависимата корелация интензитет-плътност показва маргинален модел, който съдържа пълната информация за фазовия обект.

„Тази корелация интензитет-интензитет не се влияе от шум във времевата фаза, който варира по-бавно от скоростта на детектора (около 10 ns в експеримента) и може да бъде измерен чрез натрупване на данни за произволно дълъг период от време – което променя играта – по-дългото измерване означава повече фотони, което означава по-високо точност“, обяснява Йежи Ссоневич, първият автор на произведението.

Казано по-просто, ако запишем единичен кадър от филма, този единичен кадър няма да ни даде полезна информация за формата на обекта, който се изследва. „И така, първо записахме пълна поредица от тези кадри с помощта на камерата и след това умножихме стойностите на измерванията във всяка двойка точки от всеки кадър. Осреднихме тези корелации и записахме пълен образ на нашето тяло“, обяснява Йежи Шуневич .

„Има много възможни начини за възстановяване на фазовия профил на наблюдаван обект от поредица от изображения. „Въпреки това, ние демонстрирахме, че нашият метод, базиран на корелация интензитет-интензитет и така наречената извъносева холографска техника, осигурява оптимална точност на реконструкцията ”, казва Станислав Кърджиалек, вторият автор на тази статия.

Светла идея за тъмни среди

Подходът за фазово изобразяване, базиран на корелация на интензитета, може да се използва широко в много шумни среди. Новият метод работи както с класическа (лазерна и термична), така и с квантова светлина. Може да се приложи и в Фотон Система за преброяване, например с използване на единични фотонни лавинни диоди. „Можем да го използваме в случаите, когато има малко налична светлина или когато не можем да използваме висок интензитет на светлината, за да не повредим обекта, например деликатен биологичен екземпляр или произведение на изкуството“, обяснява Йежи Зуневич.

„Нашата технология ще разшири хоризонтите във фазовите измервания, включително нововъзникващи приложения като инфрачервени и рентгенови изображения, квантова и вълнова интерферометрия“, заключава д-р Лапкевич.

Справка: „Устойчиво на шум фазово изображение с корелация на интензитета“ от Jerzy Zoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Zoliński, Radosław Čapkiewicz, Mayukh Lahiri и Radek Lapkiewicz, 22 септември 2023 г., Напредък на науката.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Тази работа беше подкрепена от Полската научна фондация в рамките на проекта I-Team „Измервания на пространствено-времева фотонна корелация за квантуване и микроскопия със супер разделителна способност“, съфинансиран от Европейския съюз по Европейския фонд за регионално развитие (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz също признава подкрепата на Националния научен център, Полша, грант № 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek признава подкрепата от Грант на Националния научен център (Полша) № 2020/37/B/ST2/02134. М. Махири. Признава подкрепата на Службата за военноморски изследвания на Съединените щати под номер на награда N00014-23-1-2778.