ノイズに隠れた映像を浮かび上がらせる革新的な手法

この革新的な量子イメージング技術は、低照度条件下で優れた性能を発揮し、医療イメージングと美術品の保存に新たな境地をもたらします。

ワルシャワ大学物理学部の研究者らは、スタンフォード大学およびオクラホマ州立大学の同僚とともに、強い光の強度と位相ノイズの相関関係の測定に基づいた、量子にヒントを得た位相イメージング手法を発表しました。 この新しいイメージング手法は、非常に弱い光でも機能し、赤外線や X 線の干渉法、量子波や物質波の干渉法などの新しいアプリケーションに役立つ可能性があります。

写真技術の革命

スマートフォンで猫の写真を撮る場合でも、高度な顕微鏡で細胞培養の写真を撮る場合でも、光の強度 (明るさ) をピクセル単位で測定することによって行われます。 光は、その強度だけでなく位相によっても特徴付けられます。 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、透明な物体が見えるようになります。

フリッツ ツェルネッケが 1953 年にノーベル賞を受賞した位相差顕微鏡法は、さまざまな透明で光学的に薄い標本の高解像度画像を取得でき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。 ゼルニケの発見から生まれた研究分野には、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最新のイメージング技術が含まれます。

「これにより、細胞培養などの生きたサンプルの定量的で標識を使用しない特性評価が可能になり、神経生物学やがん研究への応用が可能になる可能性があります」と、アメリカ大学物理学部定量イメージング研究室長のラデク・ラプキェヴィッツ博士は説明します。ワルシャワ。

強度相関によるノイズ耐性位相イメージング、クレジット: ワルシャワ大学物理学部

写真段階での挑戦と革新

ただし、まだ改善の余地があります。 「たとえば、調査対象物の任意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、システムが衝撃や外乱にさらされておらず、安定している場合にのみ機能します」と、同研究所の博士課程学生、イェジー・ゾニエヴィッツ氏は説明する。ワルシャワ大学物理学部 たとえば、走行中の車や振動するテーブルの上でこのようなテストを実行することは非常に困難です。

ワルシャワ大学物理学部の研究者らは、スタンフォード大学およびオクラホマ州立大学の同僚とともに、この問題に対処し、位相不安定性の影響を受けない位相イメージングの新しい方法を開発することを決定しました。 彼らの研究結果は権威ある雑誌に掲載されました。 科学の進歩。

古い学校に戻る

研究者たちはどのようにして新しいテクノロジーのアイデアを思いついたのでしょうか? レナード・マンデルと彼のグループは、1960 年代に、干渉の強度が検出できない場合でも、相関によってその存在が明らかになる可能性があることを実証しました。

「古典的なマンデル実験に触発されて、私たちは位相イメージングで強度相関測定をどのように使用できるかを研究したいと思いました」と Lapkiewicz 博士は説明します。 相関測定では、ピクセルのペアを観察し、それらが同時に明るくなるか暗くなるかを観察します。

「私たちは、このような測定には、単一の画像、つまり濃度測定では得られない追加情報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では、標準的な干渉パターンがすべての位相情報を失った場合でも観察が可能であることを実証しました」重大度には一定のマージンが認められます。

「標準的なアプローチでは、そのような画像には有用な情報がないと思われるかもしれません。しかし、情報は相関関係の中に隠されており、物体の複数の独立した画像を分析することで回復できることが判明し、通常の干渉はノイズのために検出できませんが、理想的なインターフェログラムです」と Labkiewicz 氏は付け加えます。

「私たちの実験では、位相物体 (検査したいターゲット) を通過する光に参照光を当てます。物体の光線と参照光の間にランダムな位相遅延が導入されます。この位相遅延は、位相遅延を模倣します。」標準的な位相イメージング法を妨げる外乱。

「したがって、強度を測定するときに干渉は観察されません。つまり、位相物体に関する情報は強度測定から取得できません。しかし、空間に依存する強度と密度の相関は、位相物体に関する完全な情報を含む周辺パターンを示します。」

「この強度間の相関は、検出器の速度（実験では約 10 ns）よりも遅く変化する時相ノイズの影響を受けず、任意の長い期間にわたってデータを蓄積することで測定できます。これはゲームです」 -changer – 測定が長いほど、より多くのフォトンを意味し、より高い値に変換されます。 正確さ」と、この作品の筆頭著者であるイエジー・ソニエヴィッツ氏は説明します。

簡単に言うと、フィルムの 1 フレームを記録したとしても、その 1 フレームからは研究対象の物体の形状に関する有用な情報は得られません。 「そこで、私たちはまずカメラを使用してこれらのフレームの完全なシリーズを記録し、次に各フレームの各ポイントのペアでの測定値を掛け合わせました。これらの相関関係を平均化し、私たちの体の完全な画像を記録しました」とイェジー・シュニエヴィッチ氏は説明します。 。

「一連の画像から観察対象の位相プロファイルを復元するには、多くの可能な方法があります。しかし、強度-強度相関と、いわゆる軸外しホログラフィック技術に基づく私たちの方法が、最適な再構成精度を提供することを実証しました。」 」と、この論文の 2 人目の著者であるスタニスワフ・クルジアレク氏は言います。

暗い環境向けの素晴らしいアイデア

強度相関ベースの位相イメージング手法は、非常にノイズの多い環境で広く使用できます。 新しい方法は、古典光（レーザーと熱）と量子光の両方で機能します。 で実装することもできます 光子 単一光子アバランシェ ダイオードなどを使用した計数システム。 「利用できる光がほとんどない場合や、繊細な生物標本や芸術作品などの対象物に損傷を与えないために高い光強度を使用できない場合に使用できます」とイェジー・ズニェヴィッチ氏は説明します。

「私たちの技術は、赤外線やX線イメージング、量子波や物質波干渉法などの新たなアプリケーションを含め、位相測定の視野を広げるでしょう」とラプキェヴィッツ博士は結論づけています。

参考文献：「強度相関によるノイズ耐性位相イメージング」Jerzy Szoniewicz、Stanisław Kurdzialek、Sanjukta Endo、Wojciech Šoliński、Radosław Čapkiewicz、Majukh Lahiri、および Radek Lapkiewicz 著、2023 年 9 月 22 日、 科学の進歩。
土井: 10.1126/sciadv.adh5396

この研究は、欧州地域開発基金 (POIR.04.04.00) の下で欧州連合によって共同融資された I チーム プロジェクト「量子化および超解像度顕微鏡のための時空間光子相関測定」の枠組みの中で、ポーランド科学財団によって支援されました。 -00)-3004/17 -00)。 Jerzy Szuniewicz 氏は、ポーランド国立科学センター (助成金番号 2022/45/N/ST2/04249) からの支援にも感謝しています。 S. Kurdzialek は、国立科学センター助成金 (ポーランド) No. 2020/37/B/ST2/02134 からの支援に感謝します。 マヒリさん。 賞番号 N00014-23-1-2778 で米国海軍研究局からの支援に感謝します。