革新的な方法でノイズの中に隠された画像を見つける

革新的な量子インスピレーションイメージング技術は、低照度条件で優れた性能を発揮し、医療イメージングと芸術品の保存分野に新しい展望を提供します。

スタンフォード大学とオクラホマ州立大学の同僚と一緒に、ワルシャワ大学物理学部の研究者たちは、位相ノイズに強い光度相関測定に基づく量子インスピレーション位相イメージング方法を導入しました。 新しいイメージング方法は非常に暗い照明でも機能し、赤外線およびX線干渉計イメージング、量子および物質波干渉計などの新しい用途に役立ちます。

イメージング技術の革命

スマートフォンで猫の写真を撮ったり、高度な顕微鏡で細胞培養画像を撮影したりしても、光の強度（明るさ）をピクセル単位で測定します。 光の特徴は強度だけでなく位相によっても決定される。 興味深いことに、透明な物体が導入する光の位相遅れを測定できれば、透明な物体も見えます。

Frits Zernikeが1953年にノーベル像を受けた位相差顕微鏡は、さまざまな透明で光学的に薄いサンプルの高解像度画像を得る可能性があるため、生物医学イメージングに革命をもたらしました。 ゼルニケの発見で登場した研究分野には、デジタルホログラフィーや定量的位相イメージングなどの現代イメージング技術が含まれます。

ワルシャワ大学物理学部の量子イメージング研究所の所長であるRadek Laapkiewicz博士は、「細胞培養などの生きた標本のラベルのない定量的特性解析が可能で、神経生物学やがん研究に応用できます」と説明しています。

強度相関を利用したノイズ防止位相イメージング、出典：ワルシャワ大学物理学部

位相イメージングの課題と革新

しかし、まだ改善の余地があります。 たとえば、検査対象のすべての点で正確な厚さを測定するための標準的な測定方法である干渉計は、システムが衝撃や妨害を受けずに安定している場合にのみ機能します。 たとえば、動いている車や揺れるテーブルの上でこれらのテストを実行するのは非常に困難です。」

スタンフォード大学とオクラホマ州立大学の同僚と一緒に、ワルシャワ大学物理学部の研究者たちはこの問題を解決し、位相不安定性に影響されない新しい位相イメージング方法を開発することにしました。 彼らの研究結果は権威あるジャーナルに掲載された。 科学の発展。

オールドスクールに戻る

研究者はどのように新しい技術のアイデアを考えましたか？ すでに60年代に、Leonard Mandelと彼のグループは、干渉の強さが検出されなかった場合でも、相関関係によって干渉の存在を明らかにすることができることを証明しました。

Laapkiewicz博士は、「Mandelの古典的な実験に触発され、強度相関測定を位相イメージングに使用する方法を調査したかった」と説明しました。 相関測定では、ピクセルのペアを表示し、同時にピクセルが明るくなったり暗くなったりすることを観察します。

「私たちは、そのような測定には、単一の写真を使用して得られない追加情報、つまり強度測定が含まれていることを示しました。 この事実を利用して、干渉ベースの位相顕微鏡において、標準干渉度が平均して全ての位相情報を失い、強度に縞模様が記録されない場合でも観察が可能であることを実証した。

「標準的なアプローチを使用すると、そのような画像に有用な情報がないと仮定できます。 しかし、情報は相関関係に隠されており、ノイズが原因で一般的な干渉を検出できなくても、物体の複数の独立した写真を分析して回復できるため、完全な干渉計が得られることがわかりました」とLapkiewiczは付け加えます。 。

「私たちの実験では、位相物体を通過する光が参照光と重なります。 物体と参照光線との間にランダムな位相遅延が生じる。 この位相遅延は、標準位相イメージング法を妨げる乱れをシミュレートする。

「結果的に強度を測定しても干渉は観察されません。 つまり、強度測定では位相物体に関する情報を得ることができない。 しかしながら、空間的に依存する強度と強度の相関は、位相オブジェクトに関する完全な情報を含むパターンパターンを示す。

「この強度と強度の相関は、検出器の速度（実行された実験では約10ナノ秒）よりもゆっくり変化する時間的位相ノイズの影響を受けず、任意に長期間にわたってデータを蓄積して測定できます。これはゲームチェンジャーです。 –測定時間が長いほど、光子が多くなり、これが高くなることを意味します。 正確さ「この作品の最初の著者であるJerzy Szuniewiczは説明します。

簡単に言えば、単一のフィルムフレームを記録する場合、その単一のフレームは、研究対象がどのように生じたかについての有用な情報を提供しない。 「したがって、まずカメラを使用してこれらの一連のフレームをすべて記録し、次にすべてのフレームの各点のペアで測定値を掛けました。 私たちはこれらの相関関係を平均化し、オブジェクトの全体像を記録しました。」とJerzy Szuniewiczは説明します。

「一連の画像から観察されたオブジェクトの位相プロファイルを回復する方法はいくつかあります。 しかし、我々は、強度と強度の相関といわゆる軸外ホログラフィ技術に基づく方法が最適な再構成精度を提供することを実証しました。

暗い環境のための明るいアイデア

強度相関に基づく位相イメージングアプローチは、非常にノイズの多い環境で広く使用することができる。 新しい方法は、古典的な（レーザーと熱）光と量子光の両方で機能します。 でも実装できます。 光子 例えば、単一光子状態ダイオードを用いた計算方式。 Jerzy Szuniewiczは、「使用可能な光がほとんどない場合や、物体（繊細な生物学的サンプルや芸術作品など）を傷つけないように高輝度を使用できない場合は、この方法を使用できます」と説明しています。

Laapkiewicz博士は、「私たちの技術は、赤外線およびX線イメージング、量子および物質波干渉計などの新しいアプリケーションを含む位相測定の見通しを広げます」と結論付けました。

参考文献：Jerzy Szuniewicz、Stanislaw Kurdzialek、Sanjukta Kundu、Wojciech Zwolinski、Radoslaw Chrapkiewicz、Mayukh Lahiri、およびRadek Laapkiewiczの「強度相関を用いたノイズ防止位相イメージング」、2023年9月22日、 科学の発展。
DOI：10.1126/sciadv.adh5396

この作業は、欧州地域開発基金（POIR.04.04.00-00）に基づき、欧州連合が共同資金を支援するFIRST TEAMプロジェクト「量子計測および超解像顕微鏡のための時空間光子相関測定」によるポーランド科学財団の支援を受け取りました。 -3004/17-00). Jerzy Szuniewiczは、ポーランド国立科学センター（承認番号2022/45/N/ST2/04249）のサポートも認めています。 S. Kurdzialekは、国立科学センター（ポーランド）補助金No.2020/37/B/ST2/02134の支援を認めています。 M.ahiri。 受賞番号N00014-23-1-2778に従って、米国海軍研究所の支援を認めています。