Forskare vid University of Warszawas fakultet för fysik med kollegor från Stanford University och Oklahoma State University har introducerat en kvantinspirerad fasbildsmetod baserad på ljusintensitetskorrelationsmätningar som är robust mot fasbrus.
Den nya avbildningsmetoden kan fungera även med extremt svag belysning och kan visa sig användbar i framväxande applikationer som för infraröd och röntgeninterferometrisk avbildning och kvant- och materiavågsinterferometri. Resultaten av forskningen har publicerats i Science Advances .
Oavsett om du tar foton av en katt med din smartphone eller avbildar cellkulturer med ett avancerat mikroskop så gör du detta genom att mäta ljusets intensitet (ljusstyrka) pixel för pixel. Ljus kännetecknas inte bara av sin intensitet utan också av sin fas. Intressant nog kan genomskinliga föremål bli synliga om du kan mäta fasfördröjningen av ljus som de introducerar.
Faskontrastmikroskopi, för vilken Frits Zernike fick Nobelpriset 1953, medförde en revolution inom biomedicinsk bildbehandling på grund av möjligheten att få högupplösta bilder av olika transparenta och optiskt tunna prover. Forskningsfältet som uppstod ur Zernikes upptäckt inkluderar moderna avbildningstekniker som digital holografi och kvantitativ fasavbildning.
"Det möjliggör etikettfri och kvantitativ karakterisering av levande exemplar, såsom cellkulturer, och kan hitta tillämpningar inom neurobiologi eller cancerforskning" förklarar Dr Radek Lapkiewicz, chef för Quantum Imaging Laboratory vid Warszawas universitets fysikfakultet.
Det finns dock fortfarande utrymme för förbättringar. "Till exempel fungerar interferometri, en standardmätmetod för exakta tjockleksmätningar var som helst av det undersökta föremålet, bara när systemet är stabilt, inte utsatt för några stötar eller störningar. Det är mycket utmanande att genomföra ett sådant test, t.ex. till exempel i en bil i rörelse eller på ett skakande bord", förklarar Jerzy Szuniewcz, doktorand vid Warszawas universitets fysikfakultet.
Forskare från fakulteten för fysik vid University of Warszawa med kollegor från Stanford University och Oklahoma State University beslutade att ta itu med detta problem och utveckla en ny metod för fasavbildning som är immun mot fasinstabilitet.
Hur kom forskarna på idén till den nya tekniken? Redan på 1960-talet visade Leonard Mandel och hans grupp att även när interferens inte kan upptäckas i intensitet kan korrelationer avslöja dess närvaro. "Inspirerade av Mandels klassiska experiment ville vi undersöka hur intensitetskorrelationsmätningar kan användas för fasavbildning", förklarar Lapkiewicz.
I en korrelationsmätning tittade de på pixelpar och observerade om de blev ljusare eller mörkare samtidigt.
"Vi har visat att sådana mätningar innehåller ytterligare information som inte kan erhållas med ett enda foto, d.v.s. intensitetsmätning. Med detta faktum visade vi att i fasmikroskopi baserad på interferens är observationer möjliga även när standardinterferogram i genomsnitt förlorar alla fasinformation och det finns inga fransar registrerade i intensiteten.
"Med en standardmetod skulle man anta att det inte finns någon användbar information i en sådan bild. Men det visar sig att informationen är gömd i korrelationerna och kan återställas genom att analysera flera oberoende foton av ett objekt som gör att vi kan få perfekta interferogram, även om den vanliga störningen inte går att upptäcka på grund av bruset", tillägger Lapkiewicz.
"I vårt experiment överlagras ljuset som passerar genom ett fasobjekt (vårt mål, som vi vill undersöka) med ett referensljus. En slumpmässig fasfördröjning införs mellan objektet och referensljusstrålarna - denna fasfördröjning simulerar en störning hindrar standardfasavbildningsmetoderna Följaktligen observeras ingen störning när intensiteten mäts, det vill säga ingen information om fasobjektet kan erhållas från intensitetsmätningar.
"Men den rumsberoende intensitet-intensitet-korrelationen visar ett fransmönster som innehåller fullständig information om fasobjektet. Denna intensitet-intensitet-korrelation påverkas inte av något temporalt fasbrus som varierar långsammare än detektorns hastighet (~10 nanosekunder i utfört experiment) och kan mätas genom att samla in data under en godtyckligt lång tidsperiod – vilket är en spelförändringar – längre mätning betyder fler fotoner, vilket leder till högre noggrannhet”, förklarar Jerzy Szuniewicz, den första författaren till verket.
Enkelt uttryckt, om vi skulle spela in en enda filmruta, skulle den enstaka bilden inte ge oss någon användbar information om hur objektet som studeras ser ut. "Därför spelade vi först in en hel serie sådana ramar med hjälp av en kamera och multiplicerade sedan mätvärdena vid varje par av punkter från varje bildruta. Vi tog medelvärdet av dessa korrelationer och spelade in en fullständig bild av vårt objekt", förklarar Szuniewicz.
"Det finns många möjliga sätt att återställa fasprofilen för ett observerat objekt från en sekvens av bilder. Men vi bevisade att vår metod baserad på intensitet-intensitetkorrelation och en så kallad off-axis holografiteknik ger en optimal rekonstruktionsprecision." säger Stanisław Kurdziałek, den andra författaren till tidningen.
En fasavbildningsmetod baserad på intensitetskorrelation kan användas i stor utsträckning i mycket bullriga miljöer. Den nya metoden fungerar med både klassiskt (laser och termiskt) och kvantljus. Det kan också implementeras i fotonräkningsregimen, till exempel genom att använda lavindioder med en foton. "Vi kan använda det i fall där det finns lite ljus tillgängligt eller när vi inte kan använda hög ljusintensitet för att inte skada föremålet, till exempel ett känsligt biologiskt prov eller ett konstverk", förklarar Szuniewicz.
"Vår teknik kommer att bredda möjligheter inom fasmätningar, inklusive nya tillämpningar som infraröd och röntgenavbildning och kvant- och materiavågsinterferometri", avslutar Lapkiewicz.
Mer information: Jerzy Szuniewicz et al, Brusresistent fasavbildning med intensitetskorrelation, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5396
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Warszawa
