Un metodo rivoluzionario che rivela le immagini nascoste nel rumore

Questa innovativa tecnologia di imaging di ispirazione quantistica eccelle in condizioni di scarsa illuminazione, offrendo nuove frontiere nell’imaging medico e nella conservazione delle opere d’arte.

I ricercatori della Scuola di Fisica dell’Università di Varsavia insieme ai colleghi della Stanford University e dell’Oklahoma State University presentano un metodo di imaging di fase di ispirazione quantistica basato sulle misurazioni della correlazione tra una forte intensità luminosa e il rumore di fase. Il nuovo metodo di imaging può funzionare anche con luce molto scarsa e potrebbe essere utile in applicazioni emergenti, come l’interferometria a infrarossi e a raggi X, l’interferometria quantistica e delle onde di materia.

Una rivoluzione nelle tecniche fotografiche

Indipendentemente dal fatto che tu stia fotografando gatti con il tuo smartphone o fotografando colture cellulari con un microscopio avanzato, lo fai misurando l'intensità (luminosità) della luce in pixel. La luce è caratterizzata non solo dalla sua intensità, ma anche dalla sua fase. È interessante notare che gli oggetti trasparenti possono diventare visibili se si è in grado di misurare lo sfasamento della luce che introducono.

La microscopia a contrasto di fase, per la quale Fritz Zernecke vinse il Premio Nobel nel 1953, rivoluzionò l'imaging biomedico grazie alla possibilità di ottenere immagini ad alta risoluzione di vari campioni trasparenti e otticamente sottili. Il campo di ricerca emerso dalla scoperta di Zernike comprende moderne tecniche di imaging come l'olografia digitale e l'imaging di fase quantitativa.

“Consente la caratterizzazione quantitativa e senza etichetta di campioni viventi, come colture cellulari, e potrebbe trovare applicazioni nella neurobiologia o nella ricerca sul cancro”, spiega il dottor Radek Lapkiewicz, capo del laboratorio di imaging quantitativo presso la Facoltà di fisica dell'Università di Varsavia.

Imaging di fase resistente al rumore con correlazione dell'intensità, credito: Facoltà di Fisica, Università di Varsavia

Sfide e innovazioni nella fase fotografica

Tuttavia, c’è ancora spazio per miglioramenti. “Ad esempio, l'interferometria, che è un metodo di misurazione standard per misurazioni precise dello spessore in qualsiasi punto dell'oggetto esaminato, funziona solo quando il sistema è stabile, non esposto a shock o disturbi”, spiega Jerzy Szoniewicz, uno studente di dottorato presso Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia. È molto difficile eseguire un test del genere, ad esempio su un'auto in movimento o su un tavolo vibrante.

I ricercatori della Facoltà di fisica dell'Università di Varsavia, insieme ai colleghi dell'Università di Stanford e dell'Università statale dell'Oklahoma, hanno deciso di affrontare questo problema e sviluppare un nuovo metodo per l'imaging di fase che sia immune alle instabilità di fase. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Progresso della scienza.

Ritorno alla vecchia scuola

Come è nata l’idea della nuova tecnologia? Leonard Mandel e il suo gruppo dimostrarono negli anni ’60 che anche quando l’interferenza non è rilevabile in intensità, le correlazioni possono rivelarne la presenza.

“Ispirandoci ai classici esperimenti di Mandel, volevamo studiare come utilizzare le misurazioni della correlazione dell’intensità nell’imaging di fase”, spiega il dott. Lapkiewicz. Nella misurazione della correlazione osserviamo coppie di pixel e osserviamo se diventano contemporaneamente più luminosi o più scuri.

“Abbiamo dimostrato che tali misurazioni contengono informazioni aggiuntive che non possono essere ottenute utilizzando una singola immagine, ad esempio la densitometria. Utilizzando questo fatto, abbiamo dimostrato che nella microscopia di fase basata sull'interferenza, le osservazioni sono possibili anche quando i modelli di interferometria standard perdono tutte le informazioni di fase e non esiste un margine di gravità registrato.

“Con l'approccio standard, si potrebbe supporre che non ci siano informazioni utili in tale immagine. Tuttavia, si scopre che l'informazione è nascosta nelle correlazioni e può essere recuperata analizzando più immagini indipendenti di un oggetto, permettendoci di ottenere interferogrammi ideali, anche se l’interferenza normale non è rilevabile a causa del rumore”, aggiunge Labkiewicz.

“Nel nostro esperimento, la luce che passa attraverso un oggetto in fase (il nostro bersaglio, che vogliamo esaminare) è dotata di una luce di riferimento. Viene introdotto un ritardo di fase casuale tra i raggi dell'oggetto e la luce di riferimento: questo ritardo di fase imita un disturbo che ostacola i metodi standard di imaging di fase.

“Pertanto, non si osserva alcuna interferenza quando si misura l'intensità, vale a dire che le informazioni sull'oggetto in fase non possono essere ottenute dalle misurazioni dell'intensità. Tuttavia, la correlazione intensità-densità dipendente dallo spazio mostra uno schema marginale che contiene l'informazione completa sull'oggetto in fase.

“Questa correlazione tra intensità e intensità non è influenzata da alcun rumore di fase temporale che varia più lentamente della velocità del rilevatore (circa 10 ns nell'esperimento) e può essere misurata accumulando dati su un periodo di tempo arbitrariamente lungo – il che è un gioco -changer – la misurazione più lunga significa più fotoni, che si traduce in maggiore Precisione“, spiega Jerzy Ssoniewicz, primo autore dell’opera.

In poche parole, se dovessimo registrare un singolo fotogramma di una pellicola, quel singolo fotogramma non ci fornirebbe alcuna informazione utile sulla forma dell'oggetto studiato. “Quindi, abbiamo prima registrato una serie completa di questi fotogrammi con la fotocamera e poi abbiamo moltiplicato i valori di misurazione in ciascuna coppia di punti di ciascun fotogramma. Abbiamo calcolato la media di queste correlazioni e registrato un'immagine completa del nostro corpo”, spiega Jerzy Szuniewicz .

“Esistono molti modi possibili per recuperare il profilo di fase di un oggetto osservato da una serie di immagini. “Tuttavia, abbiamo dimostrato che il nostro metodo basato sulla correlazione intensità-intensità e la cosiddetta tecnica olografica fuori asse fornisce una precisione di ricostruzione ottimale ”, afferma Stanislaw Kurdzialek., il secondo autore di questo articolo.

Un'idea brillante per gli ambienti bui

L'approccio di imaging di fase basato sulla correlazione dell'intensità può essere ampiamente utilizzato in ambienti molto rumorosi. Il nuovo metodo funziona sia con la luce classica (laser e termica) che con quella quantistica. Può anche essere implementato in Fotone Sistema di conteggio, ad esempio utilizzando diodi a valanga a singolo fotone. “Possiamo usarlo nei casi in cui c'è poca luce disponibile o quando non possiamo usare un'elevata intensità luminosa per non danneggiare l'oggetto, ad esempio un delicato campione biologico o un'opera d'arte”, spiega Jerzy Zuniewicz.

«La nostra tecnologia amplierà gli orizzonti delle misurazioni di fase, comprese applicazioni emergenti come l’imaging a infrarossi e a raggi X, l’interferometria delle onde quantistiche e della materia», conclude il dott. Lapkiewicz.

Riferimento: “Imaging di fase resistente al rumore con correlazione dell’intensità” di Jerzy Szoniewicz, Stanisław Kurdzialek, Sanjukta Kondo, Wojciech Šoliński, Radosław Čapkiewicz, Majukh Lahiri e Radek Lapkiewicz, 22 settembre 2023, Progresso della scienza.
doi: 10.1126/sciadv.adh5396

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione Polacca della Scienza nell’ambito del progetto I-Team “Misurazioni di correlazione fotonica spaziotemporale per quantizzazione e microscopia a super risoluzione” cofinanziato dall’Unione Europea nell’ambito del Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz riconosce anche il sostegno del National Science Centre, Polonia, sovvenzione n. 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek riconosce il sostegno del National Science Center Grant (Polonia) n. 2020/37/B/ST2/02134. M.Mahiri. Riconosce il sostegno dell'Ufficio di ricerca navale degli Stati Uniti con il numero di premio N00014-23-1-2778.