Rewolucyjna metoda odkrywania obrazów ukrytych w szumie

Ta innowacyjna technologia obrazowania inspirowana technologiami kwantowymi doskonale sprawdza się w warunkach słabego oświetlenia, oferując nowe granice w obrazowaniu medycznym i konserwacji dzieł sztuki.

Naukowcy ze Szkoły Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z kolegami z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Stanowego Oklahoma przedstawiają inspirowaną kwantami metodę obrazowania fazowego opartą na pomiarach korelacji natężenia silnego światła z szumem fazowym. Nowa metoda obrazowania może działać nawet przy bardzo słabym świetle i może być użyteczna w nowych zastosowaniach, takich jak interferometria w podczerwieni i promieniach rentgenowskich, interferometria kwantowa i fal materii.

Rewolucja w technikach fotograficznych

Niezależnie od tego, czy robisz zdjęcia kotów smartfonem, czy robisz zdjęcia hodowli komórkowych za pomocą zaawansowanego mikroskopu, robisz to poprzez pomiar intensywności (jasności) światła w pikselach. Światło charakteryzuje się nie tylko intensywnością, ale także fazą. Co ciekawe, przezroczyste obiekty mogą stać się widoczne, jeśli uda się zmierzyć opóźnienie fazowe światła, które wprowadzają.

Mikroskopia z kontrastem fazowym, za którą Fritz Zernecke otrzymał w 1953 roku Nagrodę Nobla, zrewolucjonizowała obrazowanie biomedyczne ze względu na możliwość uzyskania obrazów o wysokiej rozdzielczości różnych przezroczystych i optycznie cienkich próbek. Dziedzina badań, która wyłoniła się z odkrycia Zernike'a, obejmuje nowoczesne techniki obrazowania, takie jak holografia cyfrowa i ilościowe obrazowanie fazowe.

„Umożliwia ilościową, pozbawioną etykiet charakterystykę żywych próbek, takich jak hodowle komórkowe, i może znaleźć zastosowanie w neurobiologii czy badaniach nad nowotworami” – wyjaśnia dr Radek Łapkiewicz, kierownik Pracowni Obrazowania Ilościowego na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. Warszawa.

Odporne na zakłócenia obrazowanie fazowe z korelacją intensywności, autor: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Wyzwania i innowacje na etapie fotografii

Jednakże nadal jest miejsce na poprawę. „Przykładowo interferometria, która jest standardową metodą pomiarową pozwalającą na precyzyjne pomiary grubości w dowolnym miejscu badanego obiektu, działa tylko wtedy, gdy układ jest stabilny, nie narażony na wstrząsy i zakłócenia” – wyjaśnia Jerzy Szoniewicz, doktorant PAN Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego Bardzo trudno jest przeprowadzić takie badanie np. w jadącym samochodzie czy na stole wibracyjnym.

Naukowcy ze Szkoły Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z kolegami z Uniwersytetu Stanforda i Oklahoma State University postanowili zająć się tym problemem i opracować nową metodę obrazowania fazowego, która jest odporna na niestabilności fazowe. Wyniki ich badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Postęp nauki.

Powrót do starej szkoły

Jak badacze wpadli na pomysł nowej technologii? Leonard Mandel i jego grupa wykazali w latach sześćdziesiątych XX wieku, że nawet jeśli intensywność interferencji nie jest wykrywalna, korelacje mogą ujawnić jej obecność.

„Zainspirowani klasycznymi eksperymentami Mandela chcieliśmy zbadać, w jaki sposób pomiary korelacji intensywności można wykorzystać w obrazowaniu fazowym” – wyjaśnia dr Łapkiewicz. W pomiarze korelacji patrzymy na pary pikseli i obserwujemy, czy stają się one jednocześnie jaśniejsze, czy ciemniejsze.

„Wykazaliśmy, że takie pomiary zawierają dodatkowe informacje, których nie można uzyskać za pomocą pojedynczego obrazu, czyli densytometrii. Wykorzystując ten fakt, wykazaliśmy, że w interferencyjnej mikroskopii fazowej obserwacje są możliwe nawet wtedy, gdy standardowe wzorce interferometryczne tracą całą informację fazową i nie. Istnieje zarejestrowany margines dotkliwości.

„Przy standardowym podejściu można by założyć, że na takim obrazie nie ma żadnej użytecznej informacji, okazuje się jednak, że informacja ta kryje się w korelacjach i można ją odzyskać analizując wiele niezależnych obrazów obiektu, co pozwala nam uzyskać idealne interferogramy, choć normalne zakłócenia są niewykrywalne ze względu na szum” – dodaje Labkiewicz.

„W naszym eksperymencie światło przechodzące przez obiekt fazowy (nasz cel, który chcemy zbadać) jest wyposażone w światło odniesienia. Pomiędzy promieniami obiektu a światłem odniesienia wprowadza się losowe opóźnienie fazowe – to opóźnienie fazowe naśladuje zakłócenia, które utrudniają stosowanie standardowych metod obrazowania fazowego.

„Dlatego też przy pomiarze natężenia nie obserwuje się zakłóceń, tzn. z pomiarów natężenia nie można uzyskać informacji o obiekcie fazowym. Jednakże zależna przestrzennie korelacja natężenie-gęstość ukazuje wzór marginalny, który zawiera pełną informację o obiekcie fazowym.

„Na tę korelację intensywności do intensywności nie ma wpływu żaden szum fazowy, który zmienia się wolniej niż prędkość detektora (w eksperymencie około 10 ns) i można go zmierzyć poprzez gromadzenie danych przez dowolnie długi okres czasu – co jest grą -changer – dłuższy pomiar Oznacza więcej fotonów, co przekłada się na więcej Dokładność– wyjaśnia Jerzy Ssoniewicz, pierwszy autor dzieła.

Mówiąc najprościej, gdybyśmy mieli nagrać pojedynczą klatkę filmu, ta pojedyncza klatka nie dałaby nam żadnej przydatnej informacji o kształcie badanego obiektu. „Zatem najpierw zarejestrowaliśmy kamerą pełną serię tych klatek, a następnie pomnożyliśmy wartości pomiarów w każdej parze punktów z każdej klatki. Uśredniliśmy te korelacje i zarejestrowaliśmy pełny obraz naszego ciała” – wyjaśnia Jerzy Szuniewicz .

„Istnieje wiele możliwych sposobów odzyskania profilu fazowego obserwowanego obiektu z serii obrazów. „Wykazaliśmy jednak, że nasza metoda oparta na korelacji intensywność-intensywność i tak zwana technika holograficzna poza osią zapewnia optymalną dokładność rekonstrukcji ” – mówi Stanisław Kurdziałek., drugi autor tej pracy.

Świetny pomysł na ciemne otoczenie

Podejście do obrazowania fazowego oparte na korelacji intensywności może być szeroko stosowane w bardzo hałaśliwym otoczeniu. Nowa metoda działa zarówno ze światłem klasycznym (laserowym i termicznym), jak i kwantowym. Można go również wdrożyć w Foton Układ zliczający, np. wykorzystujący jednofotonowe diody lawinowe. „Możemy go zastosować w przypadkach, gdy mamy mało światła lub nie możemy zastosować dużego natężenia światła, aby nie uszkodzić przedmiotu, np. delikatnego preparatu biologicznego czy dzieła sztuki” – wyjaśnia Jerzy Zuniewicz.

„Nasza technologia poszerzy horyzonty w pomiarach fazowych, włączając w to pojawiające się zastosowania, takie jak obrazowanie w podczerwieni i promieniach rentgenowskich, interferometria kwantowa i fal materii” – podsumowuje dr Łapkiewicz.

Literatura: „Odporne na szumy obrazowanie fazowe z korelacją intensywności” autorstwa Jerzego Szoniewicza, Stanisława Kurdziałka, Sanjukty Kondo, Wojciecha Šolińskiego, Radosława Čapkiewicza, Majukha Lahiri i Radka Łapkiewicza, 22 września 2023 r., Postęp nauki.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Praca ta została wsparta przez Fundację Nauki Polskiej w ramach projektu I-Team „Przestrzenno-czasowe pomiary korelacji fotonów dla mikroskopii kwantyzacyjnej i superrozdzielczej” współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz dziękuje także za wsparcie Narodowego Centrum Nauki, Grant nr 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdziałek dziękuje za wsparcie w ramach Grantu Narodowego Centrum Nauki (Polska) nr 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. potwierdza wsparcie ze strony Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w ramach nagrody nr N00014-23-1-2778.