Eine revolutionäre Methode, die im Rauschen verborgene Bilder sichtbar macht

Diese innovative, quanteninspirierte Bildgebungstechnologie zeichnet sich bei schlechten Lichtverhältnissen aus und eröffnet neue Grenzen in der medizinischen Bildgebung und Kunstkonservierung.

Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau stellen zusammen mit Kollegen der Stanford University und der Oklahoma State University eine quanteninspirierte Phasenbildgebungsmethode vor, die auf Messungen der Korrelation von starker Lichtintensität und Phasenrauschen basiert. Die neue Bildgebungsmethode kann auch bei sehr schwachem Licht funktionieren und könnte in neuen Anwendungen wie Infrarot- und Röntgeninterferometrie sowie Quanten- und Materiewelleninterferometrie nützlich sein.

Eine Revolution in der Fototechnik

Unabhängig davon, ob Sie Katzen mit Ihrem Smartphone fotografieren oder Zellkulturen mit einem modernen Mikroskop fotografieren, messen Sie dazu die Intensität (Helligkeit) des Lichts in Pixeln. Licht wird nicht nur durch seine Intensität, sondern auch durch seine Phase charakterisiert. Interessanterweise können transparente Objekte sichtbar werden, wenn man die Phasenverzögerung des von ihnen eingebrachten Lichts messen kann.

Die Phasenkontrastmikroskopie, für die Fritz Zernecke 1953 den Nobelpreis erhielt, revolutionierte die biomedizinische Bildgebung, da sie die Möglichkeit bot, hochauflösende Bilder verschiedener transparenter und optisch dünner Proben zu erhalten. Das aus Zernikes Entdeckung hervorgegangene Forschungsgebiet umfasst moderne bildgebende Verfahren wie die digitale Holographie und die quantitative Phasenbildgebung.

„Es ermöglicht eine quantitative, markierungsfreie Charakterisierung lebender Proben wie Zellkulturen und könnte Anwendungen in der Neurobiologie oder der Krebsforschung finden“, erklärt Dr. Radek Lapkiewicz, Leiter des Labors für quantitative Bildgebung an der Fakultät für Physik der Universität Warschau.

Rauschresistente Phasenbildgebung mit Intensitätskorrelation, Kredit: Fakultät für Physik, Universität Warschau

Herausforderungen und Innovationen in der Fotografiephase

Allerdings gibt es noch Raum für Verbesserungen. „Zum Beispiel funktioniert die Interferometrie, eine Standardmessmethode für präzise Dickenmessungen an jedem Punkt des untersuchten Objekts, nur, wenn das System stabil ist und keinen Erschütterungen oder Störungen ausgesetzt ist“, erklärt Jerzy Szoniewicz, Doktorand am Institut Fakultät für Physik der Universität Warschau. Es ist sehr schwierig, einen solchen Test durchzuführen, beispielsweise in einem fahrenden Auto oder auf einem Rütteltisch.

Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau beschlossen gemeinsam mit Kollegen der Stanford University und der Oklahoma State University, dieses Problem anzugehen und eine neue Methode zur Phasenbildgebung zu entwickeln, die immun gegen Phaseninstabilitäten ist. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Fortschritt der Wissenschaft.

Zurück zur alten Schule

Wie kamen Forscher auf die Idee der neuen Technologie? Leonard Mandel und seine Gruppe demonstrierten in den 1960er Jahren, dass Korrelationen das Vorhandensein von Interferenzen offenbaren können, auch wenn ihre Intensität nicht erkennbar ist.

„Inspiriert durch die klassischen Mandel-Experimente wollten wir untersuchen, wie Intensitätskorrelationsmessungen in der Phasenbildgebung eingesetzt werden können“, erklärt Dr. Lapkiewicz. Bei der Korrelationsmessung betrachten wir Pixelpaare und beobachten, ob diese gleichzeitig heller oder dunkler werden.

„Wir haben gezeigt, dass solche Messungen zusätzliche Informationen enthalten, die mit einem einzelnen Bild, also der Densitometrie, nicht gewonnen werden können. Anhand dieser Tatsache haben wir gezeigt, dass in der interferenzbasierten Phasenmikroskopie Beobachtungen auch dann möglich sind, wenn Standard-Interferometriemuster alle Phaseninformationen verlieren.“ und nicht. Es gibt einen registrierten Schweregrad.

„Beim Standardansatz könnte man davon ausgehen, dass in einem solchen Bild keine nützlichen Informationen enthalten sind. Es stellt sich jedoch heraus, dass die Informationen in den Korrelationen verborgen sind und durch die Analyse mehrerer unabhängiger Bilder eines Objekts wiederhergestellt werden können, sodass wir sie erhalten können.“ „Obwohl normale Interferenzen aufgrund von Rauschen nicht erkennbar sind“, fügt Labkiewicz hinzu.

„In unserem Experiment wird Licht, das durch ein Phasenobjekt (unser Ziel, das wir untersuchen wollen) passiert, mit einem Referenzlicht versehen. Zwischen den Strahlen des Objekts und dem Referenzlicht wird eine zufällige Phasenverzögerung eingeführt – diese Phasenverzögerung ahmt a nach Störung, die Standard-Phasenbildgebungsmethoden behindert.

„Daher treten bei der Intensitätsmessung keine Interferenzen auf, d. h. aus Intensitätsmessungen lassen sich keine Informationen über das Phasenobjekt gewinnen. Allerdings zeigt die ortsabhängige Intensitäts-Dichte-Korrelation ein Randmuster, das die vollständige Information über das Phasenobjekt enthält.“

„Diese Intensitäts-zu-Intensitäts-Korrelation wird nicht durch Zeit-Phasen-Rauschen beeinflusst, das langsamer als die Detektorgeschwindigkeit variiert (etwa 10 ns im Experiment) und kann durch Sammeln von Daten über einen beliebig langen Zeitraum gemessen werden – was ein Spiel ist.“ -Changer – die längere Messung. Das bedeutet mehr Photonen, was zu höheren Werten führt Genauigkeit“, erklärt Jerzy Ssoniewicz, Erstautor des Werkes.

Einfach ausgedrückt: Wenn wir ein einzelnes Filmbild aufnehmen würden, würde uns dieses einzelne Bild keine nützlichen Informationen über die Form des untersuchten Objekts liefern. „Wir haben also zunächst eine komplette Serie dieser Bilder mit der Kamera aufgenommen und dann die Messwerte an jedem Punktpaar aus jedem Bild multipliziert. Wir haben diese Korrelationen gemittelt und ein vollständiges Bild unseres Körpers aufgenommen“, erklärt Jerzy Szuniewicz .

„Es gibt viele Möglichkeiten, das Phasenprofil eines beobachteten Objekts aus einer Reihe von Bildern wiederherzustellen.“ „Wir haben jedoch gezeigt, dass unsere Methode, die auf Intensitäts-Intensitäts-Korrelation und der sogenannten Off-Axis-Holographie-Technik basiert, eine optimale Rekonstruktionsgenauigkeit bietet.“ “, sagt Stanislaw Kurdzialek. , der zweite Autor dieser Arbeit.

Eine gute Idee für dunkle Umgebungen

Der auf Intensitätskorrelation basierende Phasenbildgebungsansatz kann in sehr lauten Umgebungen häufig eingesetzt werden. Die neue Methode funktioniert sowohl mit klassischem (Laser und thermisch) als auch mit Quantenlicht. Es kann auch in implementiert werden Photon Zählsystem, beispielsweise unter Verwendung von Einzelphotonen-Lawinendioden. „Wir können es in Fällen verwenden, in denen wenig Licht zur Verfügung steht oder wenn wir keine hohe Lichtintensität verwenden können, um das Objekt, beispielsweise eine empfindliche biologische Probe oder ein Kunstwerk, nicht zu beschädigen“, erklärt Jerzy Zuniewicz.

„Unsere Technologie wird den Horizont bei Phasenmessungen erweitern, einschließlich neuer Anwendungen wie Infrarot- und Röntgenbildgebung sowie Quanten- und Materiewelleninterferometrie“, schließt Dr. Lapkiewicz.

Referenz: „Rauschresistente Phasenbildgebung mit Intensitätskorrelation“ von Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri und Radek Lapkiewicz, 22. September 2023, Fortschritt der Wissenschaft.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Diese Arbeit wurde von der Polnischen Wissenschaftsstiftung im Rahmen des I-Team-Projekts „Spatiotemporal Photon Correlation Measurements for Quantization and Super-Resolution Microscopy“ unterstützt, das von der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (POIR.04.04.00) kofinanziert wurde -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz dankt auch dem Nationalen Wissenschaftszentrum Polen für seine Unterstützung, Fördernr. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek dankt für die Unterstützung durch den National Science Center Grant (Polen) Nr. 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Wir würdigen die Unterstützung durch das United States Office of Naval Research unter der Auszeichnungsnummer N00014-23-1-2778.