stringtranslate.com

Призрачное изображение

Призрачное изображение (также называемое «совпадением изображений», «двухфотонным изображением» или «коррелированным фотонным изображением») — это метод, который создает изображение объекта путем объединения информации с двух детекторов света: обычного многопиксельного детектора, который не видит объект, и однопиксельного (бакетного) детектора, который видит объект. [1] Были продемонстрированы два метода. Квантовый метод использует источник пар запутанных фотонов , каждая пара которых делится между двумя детекторами, в то время как классический метод использует пару коррелированных когерентных пучков без использования запутанности. Оба подхода можно понять в рамках одной теории. [2]

История

Первая демонстрация фантомного изображения, выполненная TB Pittman, YH Shih, DV Strekalov и AV Sergienko в 1995 году, была основана на квантовых корреляциях между запутанными парами фотонов . [3] Один из фотонов пары попадает на объект, а затем на детектор ведра, в то время как другой следует по другому пути к (многопиксельной) камере . Камера сконструирована так, чтобы регистрировать только пиксели из запутанных пар фотонов, которые попадают как на детектор ведра, так и на плоскость изображения камеры (в отличие от запутанных пар фотонов, когда один попадает в плоскость изображения, но другой не попадает на детектор ведра, которые не регистрируются). Затем большое количество зарегистрированных запутанных пар постепенно формирует полное изображение.

Более поздние эксперименты показали, что корреляции между световым лучом , который попадает в камеру, и лучом, который попадает на объект, могут быть объяснены чисто классической физикой. [4] Если присутствуют квантовые корреляции, отношение сигнал/шум реконструированного изображения может быть улучшено. В 2009 году были продемонстрированы «псевдотермическое фантомное изображение» и « дифракция фантома » путем реализации схемы «вычислительного фантомного изображения», [5] , что ослабило необходимость вызывать аргументы квантовых корреляций для случая псевдотермического источника. [6]

Недавно было показано, что принципы «сжатого зондирования» могут быть напрямую использованы для сокращения количества измерений, необходимых для реконструкции изображения в фантомных изображениях. [7] Этот метод позволяет создавать изображение размером N пикселей с помощью гораздо меньшего количества измерений, чем N, и может применяться в лидарах и микроскопии .

Достижения в области военных исследований

Исследовательская лаборатория армии США (ARL) разработала удаленную фантомную визуализацию в 2007 году с целью применения передовой технологии к земле, спутникам и беспилотным летательным аппаратам . [8] Рональд Э. Мейерс и Кит С. Дикон из ARL получили патент в 2013 году на свою технологию квантовой визуализации под названием «Система и метод улучшения и совершенствования изображений». [9] Исследователи получили премию Army Research and Development Achievement Award за выдающиеся исследования в 2009 году, получив первое фантомное изображение удаленного объекта. [10]

Механизм

Простой пример поясняет основной принцип фантомного изображения. [11] Представьте себе два прозрачных ящика: один пустой и один с объектом внутри. Задняя стенка пустого ящика содержит сетку из множества пикселей (т. е. камеру), в то время как задняя стенка ящика с объектом представляет собой большой одиночный пиксель (детектор ведра). Затем направьте лазерный свет в светоделитель и отразите два полученных луча так, чтобы каждый из них проходил через одну и ту же часть соответствующего ящика в одно и то же время. Например, в то время как первый луч проходит через пустой ящик, чтобы попасть на пиксель в верхнем левом углу в задней части ящика, второй луч проходит через заполненный ящик, чтобы попасть в верхний левый угол детектора ведра.

Теперь представьте, что вы перемещаете лазерный луч, чтобы попасть в каждый из пикселей на задней стороне пустого ящика, одновременно перемещая соответствующий луч вокруг ящика с объектом. В то время как первый световой луч всегда будет попадать в пиксель на задней стороне пустого ящика, второй световой луч иногда будет блокироваться объектом и не достигнет детектора ведра. Процессор, получающий сигнал от обоих детекторов света, записывает пиксель изображения только тогда, когда свет попадает на оба детектора одновременно. Таким образом, можно построить изображение силуэта, даже если свет, идущий к многопиксельной камере, не коснулся объекта.

В этом простом примере два ящика освещаются по одному пикселю за раз. Однако, используя квантовую корреляцию между фотонами из двух лучей, правильное изображение может быть записано также с использованием сложных распределений света. Также правильное изображение может быть записано с использованием только одного луча, проходящего через управляемый компьютером модулятор света к однопиксельному детектору. [6]

Приложения

Освещение бесселевым лучом

В 2012 году ученые ARL разработали световой луч без дифракции, также называемый освещением пучком Бесселя. В статье, опубликованной 10 февраля 2012 года, команда изложила свое исследование осуществимости виртуального призрачного изображения с использованием пучка Бесселя для решения неблагоприятных условий с ограниченной видимостью, таких как мутная вода, листва джунглей или углы. [10] [12] Лучи Бесселя создают узоры из концентрических окружностей. Когда луч блокируется или затемняется вдоль своей траектории, исходный узор в конечном итоге восстанавливается, создавая четкое изображение. [13]

Визуализация при очень низком уровне освещенности

Процесс спонтанного параметрического понижения частоты (SPDC) обеспечивает удобный источник пар запутанных фотонов с сильными пространственными корреляциями. [14] Такие объявленные одиночные фотоны могут использоваться для достижения высокого отношения сигнал/шум, фактически устраняя фоновые отсчеты из записанных изображений. Применяя принципы сжатия изображений и связанной реконструкции изображений, высококачественные изображения объектов могут быть сформированы из необработанных данных со средним значением менее одного обнаруженного фотона на пиксель изображения. [15]

Микроскопия с разреженным фотоном и инфракрасным светом

Инфракрасные камеры, которые сочетают низкий уровень шума с чувствительностью к одному фотону, не всегда доступны. Инфракрасное освещение уязвимой цели с разреженными фотонами можно объединить с камерой, подсчитывающей видимые фотоны, с помощью фантомного изображения с коррелированными фотонами, которые имеют существенно разные длины волн, генерируемые высоко невырожденным процессом SPDC . Инфракрасные фотоны с длиной волны 1550 нм освещают цель и обнаруживаются однофотонным лавинным диодом InGaAs/InP. Данные изображения записываются с помощью одновременно обнаруженных, позиционно-коррелированных, видимых фотонов с длиной волны 460 нм с использованием высокоэффективной малошумящей камеры, подсчитывающей фотоны. Таким образом, можно визуализировать светочувствительные биологические образцы. [16]

Дистанционное зондирование

Призрачное изображение рассматривается для применения в системах дистанционного зондирования как возможный конкурент лазерным радарам визуализации ( ЛИДАР ). Теоретическое сравнение производительности импульсного вычислительного призрачного изображения и импульсного лазерного радара визуализации с прожекторным освещением выявило сценарии, в которых отражательная система призрачного изображения имеет преимущества. [17]

Рентгеновское и электронное фантомное изображение

Призрачное изображение было продемонстрировано для различных приложений фотонной науки. Недавно был проведен эксперимент по призрачному изображению для жесткого рентгеновского излучения с использованием данных, полученных на Европейском синхротроне. [18] Здесь крапчатые импульсы рентгеновского излучения от отдельных электронных синхротронных пучков использовались для создания основы призрачного изображения, что позволило подтвердить концепцию экспериментального рентгеновского призрачного изображения. В то же время, когда был опубликован этот эксперимент, был опубликован вариант Фурье-пространства рентгеновского призрачного изображения. [19] Призрачное изображение также было предложено для рентгеновских FEL-приложений. [20] Классическое призрачное изображение с компрессионным зондированием также было продемонстрировано с ультрарелятивистскими электронами . [21]

Ссылки

  1. ^ Саймон, Дэвид С.; Джагер, Грегг; Сергиенко, Александр В. (2017). «Глава 6 — Призрачные изображения и смежные темы». Квантовая метрология, визуализация и связь . С. 131–158. doi :10.1007/978-3-319-46551-7_6. ISSN  2364-9054.
  2. ^ Эркмен, Барис И.; Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Единая теория фантомных изображений с гауссовым состоянием света». Physical Review A. 77 ( 4): 043809. arXiv : 0712.3554 . Bibcode : 2008PhRvA..77d3809E. doi : 10.1103/PhysRevA.77.043809. ISSN  1050-2947. S2CID  37972784.
  3. ^ Питтман, ТБ; Ши, ЙХ; Стрекалов, ДВ; Сергиенко, АВ (1 ноября 1995 г.). «Оптическая визуализация с помощью двухфотонной квантовой запутанности». Physical Review A. 52 ( 5): R3429–R3432. Bibcode : 1995PhRvA..52.3429P. doi : 10.1103/PhysRevA.52.R3429. ISSN  1050-2947. PMID  9912767.
  4. ^ Gatti, A.; Brambilla, E.; Bache, M.; Lugiato, LA (26 августа 2004 г.). «Ghost Imaging with Thermal Light: Comparing Entanglement and Classical Correlation». Physical Review Letters . 93 (9): 093602. arXiv : quant-ph/0307187 . Bibcode : 2004PhRvL..93i3602G. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.093602. ISSN  0031-9007. PMID  15447100. S2CID  53345826.
  5. ^ Бромберг, Ярон; Кац, Ори; Зильберберг, Ярон (2009). «Призрачное изображение с одним детектором». Physical Review A. 79 ( 5): 053840. arXiv : 0812.2633 . Bibcode : 2009PhRvA..79e3840B. doi : 10.1103/PhysRevA.79.053840. ISSN  1050-2947. S2CID  118390098.
  6. ^ ab Shapiro, Jeffrey H. (2008). "Computational ghost imaging". Physical Review A. 78 ( 6): 061802. arXiv : 0807.2614 . Bibcode : 2008PhRvA..78f1802S. doi : 10.1103/PhysRevA.78.061802. ISSN  1050-2947. S2CID  10576835.
  7. ^ Кац, Ори; Бромберг, Ярон; Зильберберг, Ярон (2009). "Сжатие призрачных изображений". Applied Physics Letters . 95 (13): 131110. arXiv : 0905.0321 . Bibcode : 2009ApPhL..95m1110K. doi : 10.1063/1.3238296. ISSN  0003-6951. S2CID  118516184.
  8. ^ "ARL's 'ghost imaging' прорывается сквозь турбулентность поля боя -- Defense Systems". Defense Systems . Получено 10 июля 2018 г. .
  9. ^ "19 патентов армейских ученых ведут к прогрессу в области квантовой визуализации | Исследовательская лаборатория армии США". www.arl.army.mil . Получено 10 июля 2018 г.
  10. ^ ab "Исследован принцип виртуального призрачного изображения. Ученые ARL доказывают, что свет может проникать в цель через завесы | Исследовательская лаборатория армии США". www.arl.army.mil . Получено 10 июля 2018 г.
  11. ^ Райан С. Беннинк; Шон Дж. Бентли; Роберт В. Бойд (2002).«Двухфотонная» совпадающая визуализация с классическим источником». Physical Review Letters . 89 (11): 113601. Bibcode : 2002PhRvL..89k3601B. doi : 10.1103/PhysRevLett.89.113601. PMID  12225140.
  12. ^ «Секретное оружие армии — этот квантовый физик, пионер «призрачной визуализации»». Fast Company . 7 мая 2013 г. Получено 10 июля 2018 г.
  13. ^ "Виртуальная фантомная визуализация: новая технология позволяет получать изображения даже в крайне неблагоприятных условиях". ScienceDaily . Получено 10 июля 2018 г.
  14. ^ Walborn, SP; Monken, CH; Pádua, S.; Souto Ribeiro, PH (2010). «Пространственные корреляции в параметрическом преобразовании с понижением частоты». Physics Reports . 495 (4–5): 87–139. arXiv : 1010.1236 . Bibcode : 2010PhR...495...87W. doi : 10.1016/j.physrep.2010.06.003. ISSN  0370-1573. S2CID  119221135.
  15. ^ Моррис, Питер А.; Аспден, Рубен С.; Белл, Джессика EC; Бойд, Роберт У.; Паджетт, Майлз Дж. (2015). «Визуализация с малым количеством фотонов». Nature Communications . 6 : 5913. arXiv : 1408.6381 . Bibcode : 2015NatCo...6.5913M. doi : 10.1038/ncomms6913. ISSN  2041-1723. PMC 4354036. PMID 25557090  . 
  16. ^ Аспден, Рубен С.; Джеммелл, Натан Р.; Моррис, Питер А.; Таска, Дэниел С.; Мертенс, Лена; Таннер, Майкл Г.; Кирквуд, Роберт А.; Руджери, Алессандро; Тоси, Альберто; Бойд, Роберт У.; Буллер, Джеральд С.; Хэдфилд, Роберт Х.; Паджетт, Майлз Дж. (2015). "Микроскопия с разреженными фотонами: визуализация в видимом свете с использованием инфракрасного освещения" (PDF) . Optica . 2 (12): 1049. Bibcode :2015Optic...2.1049A. doi : 10.1364/OPTICA.2.001049 . ISSN  2334-2536.
  17. ^ Харди, Николас Д.; Шапиро, Джеффри Х. (2013). «Вычислительная визуализация призраков в сравнении с лазерным радаром визуализации для трехмерной визуализации». Physical Review A. 87 ( 2): 023820. arXiv : 1212.3253 . Bibcode : 2013PhRvA..87b3820H. doi : 10.1103/PhysRevA.87.023820. ISSN  1050-2947. S2CID  571212.
  18. ^ Pelliccia, Daniele; Rack, Alexander; Scheel, Mario; Cantelli, Valentina; Paganin, David M. (2016). "Экспериментальная рентгеновская призрачная визуализация". Physical Review Letters . 117 (11): 113902. arXiv : 1605.04958 . Bibcode : 2016PhRvL.117k3902P. doi : 10.1103/PhysRevLett.117.113902. PMID  27661687. S2CID  206281577.
  19. ^ Юй, Х.; Лу, Р.; Хань, С.; Се, Х.; Ду, Г.; Сяо, Т.; Чжу, Д. (2016). "Фурье-преобразование призрачных изображений с жесткими рентгеновскими лучами". Physical Review Letters . 117 (11): 113901. arXiv : 1603.04388 . Bibcode : 2016PhRvL.117k3901Y. doi : 10.1103/PhysRevLett.117.113901. PMID  27661686. S2CID  11073798.
  20. ^ Ратнер, Д.; Крайан, Дж. П.; Лейн, Т. Дж.; Ли, С.; Ступаков, Г. (2019). «Pump-Probe Ghost Imaging with SASE FELs». Physical Review X. 9 ( 1): 011045. Bibcode : 2019PhRvX...9a1045R. doi : 10.1103/PhysRevX.9.011045 .
  21. ^ Ли, С.; Кропп, Ф.; Кабра, К.; Лейн, Т. Дж.; Вецштейн, Г.; Мусумечи, П.; Ратнер, Д. (2018). «Электронная призрачная визуализация». Physical Review Letters . 121 (11): 114801. Bibcode : 2018PhRvL.121k4801L. doi : 10.1103/PhysRevLett.121.114801 . PMID  30265113.

Внешние ссылки