Im Rauschen verborgene Bilder werden durch eine quanteninspirierte Phase-Imaging-Methode enthüllt

Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau haben zusammen mit Kollegen der Stanford University und der Oklahoma State University eine quanteninspirierte Phasenbildgebungsmethode eingeführt, die auf Lichtintensitätskorrelationsmessungen basiert und robust gegenüber Phasenrauschen ist.

Die neue Bildgebungsmethode kann auch bei extrem schwacher Beleuchtung betrieben werden und kann sich in neuen Anwendungen wie der interferometrischen Infrarot- und Röntgenbildgebung sowie der Quanten- und Materiewelleninterferometrie als nützlich erweisen. Die Ergebnisse der Forschung waren veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte.

Egal, ob Sie mit Ihrem Smartphone Fotos von einer Katze machen oder Zellkulturen mit einem fortschrittlichen Mikroskop abbilden, Sie tun dies, indem Sie die Intensität (Helligkeit) des Lichts Pixel für Pixel messen. 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 Frits Zernike 1953 den Nobelpreis erhielt, führte zu einer Revolution in der biomedizinischen 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 die markierungsfreie und quantitative Charakterisierung lebender Proben wie Zellkulturen und kann in der Neurobiologie oder Krebsforschung Anwendung finden“, erklärt Dr. Radek Lapkiewicz, Leiter des Quantum Imaging Laboratory an der Fakultät für Physik der Universität Warschau.

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. Es ist sehr anspruchsvoll, einen solchen Test durchzuführen, z zum Beispiel in einem fahrenden Auto oder auf einem zitternden Tisch“, erklärt Jerzy Szuniewcz, Doktorand an der Fakultät für Physik der Universität Warschau.

Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau beschlossen zusammen mit Kollegen der Stanford University und der Oklahoma State University, dieses Problem anzugehen und eine neue Methode der Phasenbildgebung zu entwickeln, die immun gegen Phaseninstabilität ist.

Zurück zur alten Schule

Wie kamen die Forscher auf die Idee für die neue Technik? Bereits in den 1960er Jahren zeigten Leonard Mandel und seine Gruppe, dass Korrelationen das Vorhandensein von Interferenzen offenbaren können, auch wenn ihre Intensität nicht erkennbar ist. „Inspiriert durch die klassischen Experimente von Mandel wollten wir untersuchen, wie Intensitätskorrelationsmessungen für die Phasenbildgebung genutzt werden können“, erklärt Lapkiewicz.

In einer Korrelationsmessung betrachteten sie Pixelpaare und beobachteten, ob diese gleichzeitig heller oder dunkler wurden.

„Wir haben gezeigt, dass solche Messungen zusätzliche Informationen enthalten, die mit einem einzelnen Foto, d Phaseninformationen und es werden keine Streifen in der Intensität aufgezeichnet.

„Bei einem Standardansatz würde man annehmen, dass ein solches Bild keine nützlichen Informationen enthält. Es stellt sich jedoch heraus, dass die Informationen in den Korrelationen verborgen sind und durch die Analyse mehrerer unabhängiger Fotos eines Objekts wiederhergestellt werden können, sodass wir ein perfektes Ergebnis erhalten.“ Interferogramme, auch wenn die gewöhnliche Interferenz aufgrund des Rauschens nicht erkennbar ist“, fügt Lapkiewicz hinzu.

„In unserem Experiment wird das Licht, das ein Phasenobjekt (unser Ziel, das wir untersuchen wollen) durchdringt, mit einem Referenzlicht überlagert. Zwischen dem Objekt und den Referenzlichtstrahlen wird eine zufällige Phasenverzögerung eingeführt – diese Phasenverzögerung simuliert eine Störung.“ Dies behindert die Standardmethoden der Phasenbildgebung. Folglich werden bei der Intensitätsmessung keine Interferenzen beobachtet, d. h. aus Intensitätsmessungen können keine Informationen über das Phasenobjekt gewonnen werden.

„Die räumlich abhängige Intensitäts-Intensitäts-Korrelation zeigt jedoch ein Streifenmuster, das die vollständigen Informationen über das Phasenobjekt enthält. Diese Intensitäts-Intensitäts-Korrelation wird nicht durch zeitliches Phasenrauschen beeinflusst, das langsamer als die Geschwindigkeit des Detektors variiert (ca. 10 Nanosekunden im Jahr). „Durchgeführtes Experiment) und kann gemessen werden, indem Daten über einen beliebig langen Zeitraum gesammelt werden – was eine entscheidende Neuerung darstellt – eine längere Messung bedeutet mehr Photonen, was sich in einer höheren Genauigkeit niederschlägt“, erklärt Jerzy Szuniewicz, der Erstautor der Arbeit.

Einfach ausgedrückt: Wenn wir ein einzelnes Filmbild aufnehmen würden, würde uns dieses einzelne Bild keine nützlichen Informationen darüber geben, wie das untersuchte Objekt aussieht. „Deshalb haben wir zunächst eine ganze Reihe solcher Bilder mit einer Kamera aufgenommen und dann die Messwerte an jedem Punktpaar jedes Bildes multipliziert. Diese Korrelationen haben wir gemittelt und ein vollständiges Bild unseres Objekts aufgenommen“, erklärt Szuniewicz.

„Es gibt viele Möglichkeiten, das Phasenprofil eines beobachteten Objekts aus einer Bildfolge wiederherzustellen. Wir haben jedoch bewiesen, dass unsere auf Intensitäts-Intensitätskorrelation und einer sogenannten Off-Axis-Holographie-Technik basierende Methode eine optimale Rekonstruktionsgenauigkeit bietet.“ sagt Stanisław Kurdziałek, der zweite Autor des Artikels.

Eine gute Idee für dunkle Umgebungen

Ein auf Intensitätskorrelation basierender Phasenbildgebungsansatz kann in sehr lauten Umgebungen häufig eingesetzt werden. Die neue Methode funktioniert sowohl mit klassischem (Laser und thermischem) als auch mit Quantenlicht. Es kann auch im Photonenzählmodus implementiert werden, 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 Szuniewicz.

„Unsere Technik wird die Perspektiven für Phasenmessungen erweitern, einschließlich neuer Anwendungen wie der Infrarot- und Röntgenbildgebung sowie der Quanten- und Materiewelleninterferometrie“, schließt Lapkiewicz.