تصاویر پنهان شده در نویز با روش تصویربرداری فازی الهام گرفته از کوانتوم آشکار شد

محققان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به همراه همکارانی از دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایالتی اوکلاهاما یک روش تصویربرداری فازی الهام گرفته از کوانتومی را بر اساس اندازه‌گیری‌های همبسته شدت نور معرفی کرده‌اند که نسبت به نویز فاز مقاوم است.

روش تصویربرداری جدید می تواند حتی در نور بسیار کم کار کند و می تواند در کاربردهای نوظهور مانند تصویربرداری تداخل سنجی اشعه ایکس و مادون قرمز و تداخل سنجی موج کوانتومی و ماده مفید باشد. نتایج مطالعه می باشد منتشر شده که در پیشرفت علمی.

چه با گوشی هوشمند خود از یک گربه عکس می گیرید یا با میکروسکوپ پیشرفته از کشت های سلولی عکس می گیرید، این کار را با اندازه گیری شدت (روشنایی) نور پیکسل به پیکسل. نور نه تنها با شدت، بلکه با آن مشخص می شود فاز. جالب است که اگر بتوانید تاخیر فاز نوری را که وارد می‌کنند اندازه‌گیری کنید، اجسام شفاف می‌توانند قابل مشاهده باشند.

میکروسکوپ فاز کنتراست، که فریتز زرنیک برای آن جایزه نوبل را در سال 1953 دریافت کرد، به دلیل توانایی به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا از نمونه های شفاف و نازک نوری مختلف، تصویربرداری زیست پزشکی را متحول کرد. این منطقه تحقیقاتی که از کشف Zernike پدید آمد، شامل تکنیک های تصویربرداری مدرن مانند هولوگرافی دیجیتال و تصویربرداری فاز کمی است.

دکتر Radek Lapkiewicz، رئیس آزمایشگاه تصویربرداری کوانتومی در دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو، توضیح می‌دهد: «این ویژگی‌های کمی بدون برچسب نمونه‌های زنده مانند کشت‌های سلولی را امکان‌پذیر می‌کند و ممکن است در عصب‌بیولوژی یا تحقیقات سرطان کاربرد داشته باشد».

با این حال، هنوز جای پیشرفت وجود دارد. “به عنوان مثال، تداخل سنجی، یک روش استاندارد برای اندازه گیری ضخامت های دقیق در هر نقطه از جسم مورد مطالعه، تنها زمانی کار می کند که سیستم پایدار باشد، در معرض هیچ گونه شوک یا اختلالی قرار نگیرد. انجام چنین آزمایشی بسیار چالش برانگیز است. یرزی شونویچ، دانشجوی دکترا در دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو توضیح می‌دهد که مثلاً در حرکت در ماشین یا روی میز لرزان.

محققان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو به همراه همکارانش از دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایالتی اوکلاهاما تصمیم گرفتند با این مشکل مقابله کنند و روش تصویربرداری فاز جدیدی را توسعه دهند که در برابر بی ثباتی فاز مصون است.

بازگشت به مدرسه قدیمی

محققان چگونه به ایده این تکنیک جدید رسیدند؟ در دهه 1960، لئونارد مندل و گروهش نشان دادند که حتی زمانی که یک اختلال با شدت تشخیص داده نمی شود، همبستگی ها می توانند حضور آن را آشکار کنند. Lapkiewicz توضیح می‌دهد: «با الهام از آزمایش‌های کلاسیک ماندل، می‌خواستیم بررسی کنیم که چگونه اندازه‌گیری‌های همبستگی شدت می‌تواند برای تصویربرداری فاز استفاده شود.

در اندازه‌گیری همبستگی، آنها به جفت پیکسل‌ها نگاه می‌کنند و می‌بینند که آیا همزمان روشن‌تر یا تیره‌تر می‌شوند.

ما نشان داده‌ایم که چنین اندازه‌گیری‌هایی حاوی اطلاعات اضافی هستند که با استفاده از یک عکس، یعنی اندازه‌گیری شدت، نمی‌توان به دست آورد. با استفاده از این واقعیت، نشان داده‌ایم که در میکروسکوپ فاز مبتنی بر اغتشاش، مشاهدات حتی زمانی که تداخل‌گرام‌های استاندارد به طور میانگین محاسبه می‌شوند، امکان‌پذیر است و همه چیز را از دست می‌دهد. اطلاعات فاز، و هیچ حاشیه شدتی ثبت نمی شود.

“با یک رویکرد استاندارد، می توان فرض کرد که هیچ اطلاعات مفیدی در چنین تصویری وجود ندارد. با این حال، معلوم می‌شود که اطلاعات در همبستگی‌ها پنهان است و می‌توان با تجزیه و تحلیل چندین عکس مستقل از یک شی، آن را بازیابی کرد و به ما امکان می‌دهد تداخل‌گرام‌های کاملی را بدست آوریم، حتی اگر تداخل معمولی به دلیل نویز غیرقابل تشخیص باشد.»

“در آزمایش ما، نوری که از یک جسم فازی عبور می کند (هدف ما که می خواهیم مطالعه کنیم) با یک نور مرجع روی هم قرار می گیرد. یک تاخیر فاز دلخواه بین جسم و پرتوهای نور مرجع وارد می شود – این تاخیر فاز یک استاندارد مانع اختلال را شبیه سازی می کند. روشهای تفاضل فاز.تصویربرداری.بنابراین هنگام اندازه گیری شدت هیچ اغتشاشی مشاهده نمی شود، یعنی هیچ اطلاعاتی در مورد جسم فاز از اندازه گیری های شدت بدست نمی آید.

با این حال، همبستگی شدت-شدت وابسته به فضای مکانی، یک الگوی محیطی را نشان می دهد که حاوی اطلاعات کامل در مورد جسم فاز است. این همبستگی شدت-شدت تحت تأثیر هیچ نویز فاز زمانی قرار نمی گیرد که کندتر از سرعت آشکارساز تغییر می کند (حدود 10 نانوثانیه در یک دستگاه انجام شده). آزمایش) و می‌توان با جمع‌آوری داده‌ها برای یک دوره زمانی طولانی خودسرانه اندازه‌گیری کرد – که یک تغییر دهنده بازی است – اندازه‌گیری طولانی‌تر به معنای فوتون‌های بیشتر است، که به معنای دقت بالاتر است.”

به بیان ساده، اگر یک فریم از فیلم را ضبط کنیم، آن فریم اطلاعات مفیدی در مورد ظاهر شی مورد مطالعه به ما نمی دهد. Szuniewicz توضیح می دهد: “بنابراین، ابتدا یک سری کامل از چنین فریم هایی را با استفاده از یک دوربین ضبط کردیم و سپس مقادیر اندازه گیری را در هر جفت نقطه از هر فریم ضرب کردیم. ما این همبستگی ها را میانگین گرفتیم و تصویر کاملی از جسم خود ثبت کردیم.”

می‌گوید: «راه‌های ممکن زیادی برای بازیابی نمایه فاز یک شی مشاهده‌شده از دنباله‌ای از تصاویر وجود دارد. با این حال، ما ثابت کردیم که روش ما بر اساس همبستگی شدت-شدت و به اصطلاح تکنیک هولوگرافی خارج از محور، دقت بازسازی بهینه را ارائه می‌کند». استانیسلاو کورزیالک، نویسنده دوم مقاله.

ایده ای روشن برای محیط های تاریک

رویکرد تصویربرداری فاز مبتنی بر همبستگی شدت می تواند به طور گسترده در محیط های بسیار پر سر و صدا استفاده شود. روش جدید با نور کلاسیک (لیزر و حرارتی) و کوانتومی کار می کند. همچنین می توان آن را در حالت شمارش فوتون پیاده سازی کرد، به عنوان مثال با استفاده از دیودهای بهمن تک فوتون. Szuniewicz توضیح می دهد: “ما می توانیم از آن در مواردی استفاده کنیم که نور کمی در دسترس است یا زمانی که نمی توانیم از شدت نور بالا برای جلوگیری از آسیب رساندن به جسم استفاده کنیم، به عنوان مثال یک نمونه بیولوژیکی ظریف یا یک اثر هنری.”

Lapkiewicz نتیجه‌گیری می‌کند: «تکنیک ما دیدگاه‌ها را در اندازه‌گیری‌های فاز، از جمله کاربردهای نوظهور مانند تصویربرداری مادون قرمز و اشعه ایکس و تداخل سنجی موج کوانتومی و ماده، گسترش می‌دهد».