Sebuah metode revolusioner yang mengungkap gambar yang tersembunyi dalam kebisingan

Teknologi pencitraan inovatif yang terinspirasi kuantum ini unggul dalam kondisi cahaya redup, menawarkan batas baru dalam pencitraan medis dan konservasi seni.

Para peneliti di Fakultas Fisika Universitas Warsawa bersama rekan-rekannya di Universitas Stanford dan Universitas Negeri Oklahoma menyajikan metode pencitraan fase yang terinspirasi kuantum berdasarkan pengukuran korelasi intensitas cahaya yang kuat dengan kebisingan fase. Metode pencitraan baru ini dapat bekerja bahkan dengan cahaya yang sangat rendah, dan dapat berguna dalam aplikasi baru, seperti interferometri inframerah dan sinar-X, interferometri kuantum dan gelombang materi.

Sebuah revolusi dalam teknik fotografi

Terlepas dari apakah Anda mengambil gambar kucing dengan ponsel cerdas Anda atau mengambil gambar kultur sel dengan mikroskop canggih, Anda melakukannya dengan mengukur intensitas (kecerahan) cahaya dalam piksel. Cahaya dicirikan tidak hanya oleh intensitasnya, tetapi juga oleh fasenya. Menariknya, objek transparan dapat terlihat jika Anda dapat mengukur jeda fase cahaya yang ditimbulkannya.

Mikroskop kontras fase, yang membuat Fritz Zernecke memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1953, merevolusi pencitraan biomedis karena kemungkinan memperoleh gambar resolusi tinggi dari berbagai spesimen transparan dan tipis secara optik. Bidang penelitian yang muncul dari penemuan Zernike meliputi teknik pencitraan modern seperti holografi digital dan pencitraan fase kuantitatif.

“Ini memungkinkan karakterisasi sampel hidup secara kuantitatif dan bebas label, seperti kultur sel, dan dapat diterapkan dalam penelitian neurobiologi atau kanker,” jelas Dr. Radek Lapkewicz, Kepala Laboratorium Pencitraan Kuantitatif di Fakultas Fisika Universitas Warsawa.

Pencitraan fase resistif kebisingan dengan korelasi intensitas, kredit: Fakultas Fisika, Universitas Warsawa

Tantangan dan inovasi dalam tahap fotografi

Namun, masih ada ruang untuk perbaikan. “Misalnya, interferometri, yang merupakan metode pengukuran standar untuk pengukuran ketebalan yang tepat pada titik mana pun pada objek yang diteliti, hanya berfungsi jika sistem stabil, tidak terkena guncangan atau gangguan apa pun,” jelas Jerzy Szoniewicz, mahasiswa doktoral di Universitas tersebut. Fakultas Fisika Universitas Warsawa Sangat sulit untuk melakukan tes seperti itu, misalnya di dalam mobil yang bergerak atau di atas meja yang bergetar.

Para peneliti dari Fakultas Fisika Universitas Warsawa bersama rekan-rekannya dari Universitas Stanford dan Universitas Negeri Oklahoma memutuskan untuk mengatasi masalah ini dan mengembangkan metode baru untuk pencitraan fase yang kebal terhadap ketidakstabilan fase. Hasil penelitian mereka telah dipublikasikan di jurnal bergengsi Kemajuan ilmu pengetahuan.

Kembali ke sekolah lama

Bagaimana para peneliti mendapatkan ide tentang teknologi baru? Leonard Mandel dan kelompoknya menunjukkan pada tahun 1960an bahwa meskipun intensitas interferensi tidak terdeteksi, korelasi dapat mengungkapkan keberadaannya.

“Terinspirasi oleh eksperimen klasik Mandel, kami ingin mempelajari bagaimana pengukuran korelasi intensitas dapat digunakan dalam pencitraan fase,” jelas Dr. Lapkiewicz. Dalam pengukuran korelasi, kita melihat pasangan piksel dan mengamati apakah piksel tersebut menjadi lebih terang atau lebih gelap pada saat yang bersamaan.

“Kami telah menunjukkan bahwa pengukuran tersebut mengandung informasi tambahan yang tidak dapat diperoleh dengan menggunakan satu gambar, yaitu densitometri. Dengan menggunakan fakta ini, kami telah menunjukkan bahwa dalam mikroskop fase berbasis interferensi, pengamatan dapat dilakukan bahkan ketika pola interferometri standar kehilangan semua informasi fase dan tidak Ada batas tingkat keparahan yang tercatat.

“Dengan pendekatan standar, orang mungkin berasumsi bahwa tidak ada informasi berguna dalam gambar seperti itu. Namun, ternyata informasi tersebut tersembunyi dalam korelasi dan dapat diperoleh kembali dengan menganalisis beberapa gambar independen dari suatu objek, sehingga memungkinkan kita memperolehnya. interferogram ideal, aktif Meskipun interferensi normal tidak terdeteksi karena kebisingan,” tambah Labkiewicz.

“Dalam percobaan kami, cahaya yang melewati objek fase (target kami, yang ingin kami periksa) dilengkapi dengan cahaya referensi. Penundaan fase acak terjadi antara sinar objek dan cahaya referensi – penundaan fase ini meniru a gangguan yang menghambat metode pencitraan fase standar.

Oleh karena itu, tidak ada gangguan yang diamati saat mengukur intensitas, yaitu informasi tentang objek fase tidak dapat diperoleh dari pengukuran intensitas.Namun, korelasi intensitas-kepadatan yang bergantung secara spasial menampilkan pola marginal yang berisi informasi lengkap tentang objek fase.

“Korelasi intensitas-ke-intensitas ini tidak dipengaruhi oleh kebisingan fase waktu apa pun yang bervariasi lebih lambat dari kecepatan detektor (sekitar 10 ns dalam percobaan) dan dapat diukur dengan mengumpulkan data dalam jangka waktu yang lama – yang merupakan permainan -changer – semakin panjang pengukurannya, berarti semakin banyak foton, yang artinya semakin tinggi Ketepatan“, jelas Jerzy Ssoniewicz, penulis pertama karya tersebut.

Sederhananya, jika kita merekam satu frame film, frame tunggal tersebut tidak akan memberi kita informasi berguna tentang bentuk objek yang diteliti. “Jadi, pertama-tama kami merekam seluruh rangkaian bingkai ini dengan kamera, lalu mengalikan nilai pengukuran pada setiap pasang titik dari setiap bingkai. Kami menghitung rata-rata korelasi tersebut, dan merekam gambar lengkap tubuh kami,” jelas Jerzy Szuniewicz .

“Ada banyak cara yang mungkin untuk memulihkan profil fase objek yang diamati dari serangkaian gambar. Namun, kami telah menunjukkan bahwa metode kami berdasarkan korelasi intensitas-intensitas dan apa yang disebut teknik holografik off-axis memberikan akurasi rekonstruksi yang optimal. , kata Stanislaw Kurdzialek, penulis kedua makalah ini.

Ide cemerlang untuk lingkungan gelap

Pendekatan pencitraan fase berbasis korelasi intensitas dapat digunakan secara luas di lingkungan yang sangat bising. Metode baru ini bekerja dengan cahaya klasik (laser dan termal) dan kuantum. Hal ini juga dapat diterapkan di Foton Sistem penghitungan, misalnya menggunakan dioda longsoran foton tunggal. “Kita dapat menggunakannya ketika cahaya yang tersedia terbatas atau ketika kita tidak dapat menggunakan intensitas cahaya tinggi agar tidak merusak suatu objek, misalnya spesimen biologis halus atau karya seni,” jelas Jerzy Zuniewicz.

“Teknologi kami akan memperluas cakrawala dalam pengukuran fase, termasuk aplikasi baru seperti pencitraan inframerah dan sinar-X, interferometri gelombang kuantum dan materi,” Dr. Lapkiewicz menyimpulkan.

Referensi: “Pencitraan fase tahan kebisingan dengan korelasi intensitas” oleh Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri, dan Radek Lapkiewicz, 22 September 2023, Kemajuan ilmu pengetahuan.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Pekerjaan ini didukung oleh Yayasan Sains Polandia dalam kerangka proyek I-Team “Pengukuran korelasi foton spasialtemporal untuk kuantisasi dan mikroskop resolusi super” yang dibiayai bersama oleh Uni Eropa di bawah Dana Pembangunan Regional Eropa (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz juga berterima kasih atas dukungan dari National Science Centre, Polandia, Grant No. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek berterima kasih atas dukungan Hibah Pusat Sains Nasional (Polandia) No. 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Mengakui dukungan dari Kantor Penelitian Angkatan Laut Amerika Serikat dengan Nomor Penghargaan N00014-23-1-2778.