Un método revolucionario que revela imágenes ocultas en ruido

Esta innovadora tecnología de imágenes de inspiración cuántica sobresale en condiciones de poca luz y ofrece nuevas fronteras en imágenes médicas y conservación de arte.

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, presentan un método de obtención de imágenes de fase de inspiración cuántica basado en mediciones de la correlación entre la intensidad de la luz fuerte y el ruido de fase. El nuevo método de obtención de imágenes puede funcionar incluso con muy poca luz y podría ser útil en aplicaciones emergentes, como la interferometría infrarroja y de rayos X, la interferometría cuántica y de ondas de materia.

Una revolución en las técnicas de fotografía.

Independientemente de si estás tomando fotografías de gatos con tu teléfono inteligente o de cultivos celulares con un microscopio avanzado, lo haces midiendo la intensidad (brillo) de la luz en píxeles. La luz se caracteriza no sólo por su intensidad, sino también por su fase. Curiosamente, los objetos transparentes pueden volverse visibles si se puede medir el desfase de la luz que introducen.

La microscopía de contraste de fases, por la que Fritz Zernecke ganó el Premio Nobel en 1953, revolucionó la imagen biomédica 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 muestras vivas, como cultivos celulares, y podría encontrar aplicaciones en neurobiología o investigación del cáncer», explica el Dr. Radek Lapkiewicz, jefe del Laboratorio de Imágenes Cuantitativas de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Imágenes de fase resistente al ruido con correlación de intensidad, crédito: Facultad de Física, Universidad de Varsovia

Retos e innovaciones en el escenario de la fotografía

Sin embargo, aún se puede mejorar. «Por ejemplo, la interferometría, que es un método de medición estándar para mediciones precisas del espesor en cualquier punto del objeto investigado, sólo funciona cuando el sistema es estable, no está expuesto a golpes ni perturbaciones», explica Jerzy Szoniewicz, estudiante de doctorado en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia: Es muy difícil realizar una prueba de este tipo, por ejemplo, en un coche en marcha o en una mesa vibratoria.

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 para obtener imágenes de fase que sea inmune a las inestabilidades de fase. Los resultados de su investigación han sido publicados en la prestigiosa revista Avance de la ciencia.

De vuelta a la vieja escuela

¿Cómo se les ocurrió a los investigadores la idea de la nueva tecnología? Leonard Mandel y su grupo demostraron en la década de 1960 que incluso cuando la intensidad de la interferencia no es detectable, las correlaciones pueden revelar su presencia.

«Inspirándonos en los experimentos clásicos de Mandel, queríamos estudiar cómo se pueden utilizar las mediciones de correlación de intensidad en la obtención de imágenes de fase», explica el Dr. Lapkiewicz. En la medición de correlación, observamos pares de píxeles y observamos si se vuelven más brillantes o más oscuros al mismo tiempo.

«Hemos demostrado que tales mediciones contienen información adicional que no se puede obtener usando una sola imagen, es decir, la densitometría. Usando este hecho, hemos demostrado que en la microscopía de fase basada en interferencias, las observaciones son posibles incluso cuando los patrones de interferometría estándar pierden toda la información de fase». y no hay un margen de gravedad registrado.

«Con el enfoque estándar, uno podría suponer que no hay información útil en tal imagen. Sin embargo, resulta que la información está oculta en las correlaciones y puede recuperarse analizando múltiples imágenes independientes de un objeto, lo que nos permite obtener interferogramas ideales, aunque las interferencias normales son indetectables debido al ruido”, añade Labkiewicz.

«En nuestro experimento, la luz que pasa a través de un objeto en fase (nuestro objetivo, que queremos examinar) está equipada con una luz de referencia. Se introduce un retraso de fase aleatorio entre los rayos del objeto y la luz de referencia; este retraso de fase imita un perturbación que dificulta los métodos de obtención de imágenes de fase estándar.

«Por lo tanto, no se observa ninguna interferencia al medir la intensidad, es decir, no se puede obtener información sobre el objeto de fase a partir de mediciones de intensidad. Sin embargo, la correlación intensidad-densidad espacialmente dependiente muestra un patrón marginal que contiene toda la información 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 (aproximadamente 10 ns en el experimento) y puede medirse acumulando datos durante un período de tiempo arbitrariamente largo, lo cual es un juego. -cambiador: cuanto más larga sea la medición, más fotones habrá, lo que se traducirá en mayor Exactitud“, explica Jerzy Ssoniewicz, primer autor del trabajo.

En pocas palabras, si grabáramos un solo fotograma de una película, ese fotograma no nos daría ninguna información útil sobre la forma del objeto en estudio. «Así que primero grabamos una serie completa de estos cuadros con la cámara y luego multiplicamos los valores de medición en cada par de puntos de cada cuadro. Promediamos estas correlaciones y registramos una imagen completa de nuestro cuerpo», explica Jerzy Szuniewicz. .

«Hay muchas maneras posibles de recuperar el perfil de fase de un objeto observado a partir de una serie de imágenes. Sin embargo, hemos demostrado que nuestro método basado en la correlación intensidad-intensidad y la llamada técnica holográfica fuera del eje proporciona una precisión de reconstrucción óptima». ”, dice Stanislaw Kurdzialek, el segundo autor de este artículo.

Una idea brillante para ambientes oscuros.

El enfoque de imágenes de fase basado en 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 Fotón Sistema de conteo, por ejemplo mediante 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, un espécimen biológico delicado o una obra de arte”, explica Jerzy Zuniewicz.

«Nuestra tecnología ampliará los horizontes en las mediciones de fase, incluidas aplicaciones emergentes como imágenes infrarrojas y de rayos X, interferometría cuántica y de ondas de materia», concluye el Dr. Lapkiewicz.

Referencia: “Imágenes de fase resistentes al ruido con correlación de intensidad” por Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri y Radek Lapkiewicz, 22 de septiembre de 2023, Avance de la ciencia.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Científica Polaca en el marco del proyecto I-Team “Medidas de correlación de fotones espaciotemporales para microscopía de cuantificación y superresolución” cofinanciado por la Unión Europea en el marco del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (POIR.04.04.00 -00)-3004/17-00). Jerzy Szuniewicz también agradece el apoyo del Centro Nacional de Ciencias de Polonia, subvención n.º 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek agradece el apoyo de la Beca del Centro Nacional de Ciencias (Polonia) No. 2020/37/B/ST2/02134. Señor Mahiri. Reconoce el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos con el número de premio N00014-23-1-2778.