Um método revolucionário que revela imagens escondidas no ruído

Esta inovadora tecnologia de imagem de inspiração quântica se destaca em condições de pouca luz, oferecendo novas fronteiras em imagens médicas e conservação de arte.

Pesquisadores da Escola de Física da Universidade de Varsóvia com colegas da Universidade de Stanford e da Universidade Estadual de Oklahoma apresentam um método de imagem de fase de inspiração quântica baseado em medições da correlação entre forte intensidade de luz e ruído de fase. O novo método de imagem pode funcionar mesmo com pouca luz e pode ser útil em aplicações emergentes, como interferometria infravermelha e de raios X, interferometria quântica e de ondas de matéria.

Uma revolução nas técnicas fotográficas

Independentemente de você estar tirando fotos de gatos com seu smartphone ou de culturas de células com um microscópio avançado, você está fazendo isso medindo a intensidade (brilho) da luz em pixels. A luz é caracterizada não só pela sua intensidade, mas também pela sua fase. Curiosamente, objetos transparentes podem se tornar visíveis se você conseguir medir o atraso de fase da luz que eles introduzem.

A microscopia de contraste de fase, pela qual Fritz Zernecke ganhou o Prêmio Nobel em 1953, revolucionou a imagem biomédica devido à possibilidade de obter imagens de alta resolução de vários espécimes transparentes e opticamente finos. O campo de pesquisa que emergiu da descoberta de Zernike inclui técnicas modernas de imagem, como holografia digital e imagem quantitativa de fase.

“Ele permite a caracterização quantitativa e sem rótulo de amostras vivas, como culturas de células, e pode encontrar aplicações em neurobiologia ou pesquisa do câncer”, explica o Dr. Radek Lapkiewicz, chefe do Laboratório de Imagem Quantitativa da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.

Imagem de fase resistiva a ruído com correlação de intensidade, crédito: Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia

Desafios e inovações na etapa fotográfica

No entanto, ainda há espaço para melhorias. “Por exemplo, a interferometria, que é um método de medição padrão para medições precisas de espessura em qualquer ponto do objeto investigado, só funciona quando o sistema está estável, não exposto a quaisquer choques ou perturbações”, explica Jerzy Szoniewicz, estudante de doutorado no Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.É muito difícil realizar tal teste, por exemplo, num carro em movimento ou numa mesa vibratória.

Pesquisadores da Escola de Física da Universidade de Varsóvia, juntamente com colegas da Universidade de Stanford e da Universidade Estadual de Oklahoma, decidiram resolver este problema e desenvolver um novo método para imagens de fase que seja imune a instabilidades de fase. Os resultados de suas pesquisas foram publicados na prestigiada revista Avanço da ciência.

De volta à velha escola

Como os pesquisadores tiveram a ideia da nova tecnologia? Leonard Mandel e seu grupo demonstraram na década de 1960 que mesmo quando a interferência não é detectável em intensidade, as correlações podem revelar a sua presença.

“Inspirados nos experimentos clássicos de Mandel, queríamos estudar como as medições de correlação de intensidade podem ser usadas em imagens de fase”, explica o Dr. Na medição de correlação, observamos pares de pixels e observamos se eles ficam mais claros ou mais escuros ao mesmo tempo.

“Mostramos que tais medições contêm informações adicionais que não podem ser obtidas usando uma única imagem, ou seja, densitometria. Usando esse fato, demonstramos que na microscopia de fase baseada em interferência, as observações são possíveis mesmo quando os padrões de interferometria padrão perdem todas as informações de fase e não há uma margem de gravidade registrada.

“Com a abordagem padrão, pode-se supor que não há informação útil em tal imagem. No entanto, verifica-se que a informação está escondida nas correlações e pode ser recuperada através da análise de múltiplas imagens independentes de um objeto, permitindo-nos obter interferogramas ideais, ligados Embora a interferência normal seja indetectável devido ao ruído”, acrescenta Labkiewicz.

“Em nosso experimento, a luz que passa através de um objeto de fase (nosso alvo, que queremos examinar) é equipada com uma luz de referência. Um atraso de fase aleatório é introduzido entre os raios do objeto e a luz de referência – esse atraso de fase imita um perturbação que dificulta os métodos de imagem de fase padrão.

“Portanto, nenhuma interferência é observada ao medir a intensidade, ou seja, as informações sobre o objeto de fase não podem ser obtidas a partir de medições de intensidade. No entanto, a correlação intensidade-densidade espacialmente dependente exibe um padrão marginal que contém todas as informações sobre o objeto de fase.

“Esta correlação intensidade-intensidade não é afetada por nenhum ruído de fase de tempo que varia mais lentamente do que a velocidade do detector (cerca de 10 ns no experimento) e pode ser medida acumulando dados durante um período de tempo arbitrariamente longo – o que é um jogo -changer – a medição mais longa significa mais fótons, o que se traduz em maior Precisão“, explica Jerzy Ssoniewicz, primeiro autor da obra.

Simplificando, se gravássemos um único quadro de filme, esse único quadro não nos daria nenhuma informação útil sobre a forma do objeto em estudo. “Então, primeiro gravamos uma série completa desses quadros com a câmera e depois multiplicamos os valores de medição em cada par de pontos de cada quadro. Calculamos a média dessas correlações e gravamos uma imagem completa do nosso corpo”, explica Jerzy Szuniewicz. .

“Existem muitas maneiras possíveis de recuperar o perfil de fase de um objeto observado a partir de uma série de imagens. “No entanto, demonstramos que nosso método baseado na correlação intensidade-intensidade e na chamada técnica holográfica fora do eixo fornece precisão de reconstrução ideal ”, diz Stanislaw Kurdzialek., o segundo autor deste artigo.

Uma ideia brilhante para ambientes escuros

A abordagem de imagem de fase baseada em correlação de intensidade pode ser amplamente utilizada em ambientes muito ruidosos. O novo método funciona tanto com luz clássica (laser e térmica) quanto com luz quântica. Também pode ser implementado em Fóton Sistema de contagem, por exemplo, usando diodos de avalanche de fóton único. “Podemos utilizá-lo nos casos em que há pouca luz disponível ou quando não podemos utilizar alta intensidade luminosa para não danificar o objeto, por exemplo, um delicado espécime biológico ou uma obra de arte”, explica Jerzy Zuniewicz.

“Nossa tecnologia expandirá os horizontes em medições de fase, incluindo aplicações emergentes, como imagens infravermelhas e de raios X, interferometria quântica e de ondas de matéria”, conclui o Dr.

Referência: “Imagem de fase resistente a ruído com correlação de intensidade” por Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Szolinski, Radosław Czapekiewicz, Mayukh Lahiri e Radek Lapkiewicz, 22 de setembro de 2023, Avanço da ciência.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Polaca para a Ciência no âmbito do projecto FIRST TEAM “Medições de correlação de fotões espaço-temporais para quantificação e microscopia de super-resolução” co-financiado pela União Europeia ao abrigo do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (POIR.04.04.00- 00). -3004/17-00). Jerzy Szuniewicz também agradece o apoio do Centro Nacional de Ciências da Polónia, Bolsa n.º 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek reconhece o apoio do National Science Center Grant (Polónia) n.º 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. Reconhece o apoio do Escritório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos sob o Prêmio Número N00014-23-1-2778.