Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, junto con colegas de la Universidad de Stanford y la Universidad Estatal de Oklahoma, han introducido un método de obtención de imágenes de fase de inspiración cuántica basado en mediciones de correlación de la intensidad de la luz que es resistente al ruido de fase.
El nuevo método de obtención de imágenes puede funcionar incluso con una iluminación extremadamente tenue y puede resultar útil en aplicaciones emergentes como las imágenes interferométricas de rayos X e infrarrojos y la interferometría cuántica y de ondas de materia. Los resultados de la investigación han sido publicados en Science Advances .
No importa si toma fotografías de un gato con su teléfono inteligente o toma imágenes de cultivos celulares con un microscopio avanzado, lo hace midiendo la intensidad (brillo) de la luz píxel por píxel. La luz se caracteriza no sólo por su intensidad sino también por su fase. Curiosamente, los objetos transparentes pueden volverse visibles si eres capaz de medir el retraso de fase de la luz que introducen.
La microscopía de contraste de fases, por la que Frits Zernike recibió el Premio Nobel en 1953, supuso una revolución en la obtención de imágenes biomédicas debido a la posibilidad de obtener imágenes de alta resolución de diversas muestras transparentes y ópticamente delgadas. El campo de investigación que surgió del descubrimiento de Zernike incluye técnicas de imagen modernas como la holografía digital y la imagen de fase cuantitativa.
"Permite la caracterización cuantitativa y sin etiquetas de especímenes vivos, como cultivos celulares, y puede encontrar aplicaciones en neurobiología o investigación del cáncer", explica el Dr. Radek Lapkiewicz, jefe del Laboratorio de Imágenes Cuánticas de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. /P>
Sin embargo, aún se puede mejorar. "Por ejemplo, la interferometría, un método de medición estándar para mediciones precisas del espesor en cualquier punto del objeto examinado, sólo funciona cuando el sistema es estable, no está sujeto a golpes ni perturbaciones. Es muy difícil llevar a cabo una prueba de este tipo, por ejemplo Por ejemplo, en un coche en marcha o en una mesa que se sacude", explica Jerzy Szuniewcz, estudiante de doctorado en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.
Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, junto con colegas de la Universidad de Stanford y la Universidad Estatal de Oklahoma, decidieron abordar este problema y desarrollar un nuevo método de obtención de imágenes de fase que sea inmune a la inestabilidad de fase.
¿Cómo se les ocurrió a los investigadores la idea de la nueva técnica? Ya en la década de 1960, Leonard Mandel y su grupo demostraron que incluso cuando la interferencia no es detectable en intensidad, las correlaciones pueden revelar su presencia. "Inspirándonos en los experimentos clásicos de Mandel, queríamos investigar cómo se pueden utilizar las mediciones de correlación de intensidad para obtener imágenes de fase", explica Lapkiewicz.
En una medición de correlación observaron pares de píxeles y observaron si se volvían más brillantes o más oscuros al mismo tiempo.
"Hemos demostrado que tales mediciones contienen información adicional que no se puede obtener usando una sola fotografía, es decir, medición de intensidad. Usando este hecho, demostramos que en la microscopía de fase basada en interferencias, las observaciones son posibles incluso cuando los interferogramas estándar promedian la pérdida de todos los información de fase y no hay franjas registradas en la intensidad.
"Con un enfoque estándar, uno asumiría que no hay información útil en tal imagen. Sin embargo, resulta que la información está oculta en las correlaciones y puede recuperarse analizando múltiples fotografías independientes de un objeto, lo que nos permite obtener imágenes perfectas. interferogramas, aunque las interferencias normales no son detectables debido al ruido", añade Lapkiewicz.
"En nuestro experimento, la luz que pasa a través de un objeto en fase (nuestro objetivo, que queremos investigar) se superpone con una luz de referencia. Se introduce un retraso de fase aleatorio entre el objeto y los haces de luz de referencia; este retraso de fase simula una perturbación obstruyendo los métodos estándar de obtención de imágenes de fase. En consecuencia, no se observa ninguna interferencia cuando se mide la intensidad, es decir, no se puede obtener información sobre el objeto de fase a partir de las mediciones de intensidad.
"Sin embargo, la correlación intensidad-intensidad espacialmente dependiente muestra un patrón marginal que contiene la información completa sobre el objeto de fase. Esta correlación intensidad-intensidad no se ve afectada por ningún ruido de fase temporal que varíe más lentamente que la velocidad del detector (~10 nanosegundos en el experimento realizado) y se puede medir acumulando datos durante un período de tiempo arbitrariamente largo, lo que cambia las reglas del juego:una medición más prolongada significa más fotones, lo que se traduce en una mayor precisión", explica Jerzy Szuniewicz, el primer autor del trabajo. P>
En pocas palabras, si grabáramos un solo fotograma de película, ese único fotograma no nos daría información útil sobre cómo es el objeto en estudio. "Por eso, primero grabamos una serie completa de estos fotogramas con una cámara y luego multiplicamos los valores de medición en cada par de puntos de cada fotograma. Promediamos estas correlaciones y grabamos una imagen completa de nuestro objeto", explica Szuniewicz. P>
"Hay muchas formas posibles de recuperar el perfil de fase de un objeto observado a partir de una secuencia de imágenes. Sin embargo, hemos demostrado que nuestro método, basado en la correlación intensidad-intensidad y la llamada técnica de holografía fuera del eje, proporciona una precisión de reconstrucción óptima". dice Stanisław Kurdziałek, el segundo autor del artículo.
Un enfoque de imágenes de fase basado en la correlación de intensidad se puede utilizar ampliamente en entornos muy ruidosos. El nuevo método funciona tanto con luz clásica (láser y térmica) como con luz cuántica. También se puede implementar en el régimen de recuento de fotones, por ejemplo utilizando diodos de avalancha de fotón único. "Podemos utilizarlo en casos en los que hay poca luz disponible o cuando no podemos utilizar una intensidad luminosa alta para no dañar el objeto, por ejemplo una muestra biológica delicada o una obra de arte", explica Szuniewicz.
"Nuestra técnica ampliará las perspectivas en las mediciones de fase, incluidas aplicaciones emergentes como la obtención de imágenes infrarrojas y de rayos X y la interferometría cuántica y de ondas de materia", concluye Lapkiewicz.
Más información: Jerzy Szuniewicz et al, Imágenes de fase resistentes al ruido con correlación de intensidad, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5396
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Varsovia
