Призрачные изображения - Википедия - Ghost imaging

Призрачное изображение (также называемый "визуализацией совпадений", "двухфотонной визуализацией" или "визуализацией коррелированных фотонов") - это метод, который дает изображение объекта путем объединения информации от двух световых детекторов: обычного, мульти-пиксель детектор, который не просмотреть объект, а однопиксельный (ведро) детектор, который делает просмотреть объект.[1] Были продемонстрированы две техники. Квантовый метод использует источник пар запутанный фотонов, каждая пара разделяется между двумя детекторами, тогда как классический метод использует пару коррелированных когерентных лучей без использования запутанности. Оба подхода можно понять в рамках единой теории.[2]

История

Первые демонстрации призрачных изображений были основаны на квантовая природа света. Конкретно, квантовые корреляции между фотон пары использовались для построения изображения. Один из фотонов пары ударяет по объекту, а затем по ковш-детектору, в то время как другой следует другим путем к (многопиксельному) камера. Камера сконструирована так, чтобы записывать только пиксели от фотонов, которые попадают как в ведро-детектор, так и в камеру. плоскость изображения.

Более поздние эксперименты показали, что корреляции между луч света который попадает в камеру, и луч, который попадает в объект, можно объяснить чисто классической физикой. Если квантовые корреляции присутствуют, отношение сигнал-шум соотношение реконструированного изображения можно улучшить. В 2009 г. «псевдотермические фантомные изображения» и «призрачные» дифракция 'были продемонстрированы путем реализации схемы' вычислительной фантомной визуализации ',[3] что ослабило необходимость приводить аргументы квантовой корреляции для случая псевдотермического источника.[4]

Недавно было показано, что принципы 'Сжатое зондирование' может быть напрямую использован для уменьшения количества измерений, необходимых для восстановления изображения при построении фантомных изображений.[5] Этот метод позволяет получить изображение размером N пикселей с гораздо меньшим количеством измерений, чем N, и может найти применение в ЛИДАР и микроскопия.

Успехи в военных исследованиях

В Исследовательская лаборатория армии США (ARL) в 2007 году разработала дистанционную визуализацию призраков с целью применения передовых технологий к земле, спутникам и беспилотным летательным аппаратам.[6] Рональд Э. Мейерс и Кейт С. Дикон из ARL получили в 2013 году патент на свою технологию квантовой визуализации под названием «Система и метод улучшения и улучшения изображения».[7] В 2009 году исследователи получили награду за выдающиеся достижения в области научных исследований и разработок армии США за первое призрачное изображение удаленного объекта.[8]

Механизм

Простой пример поясняет основной принцип создания фантомных изображений.[9] Представьте себе два прозрачных блока: один пустой, а другой содержит объект. Задняя стенка пустого ящика содержит сетку из многих пикселей (т.е. камеру), а задняя стенка ящика с объектом представляет собой большой однопиксельный датчик (детектор ведра). Затем направьте лазерный свет на светоделитель и отразите два результирующих луча так, чтобы каждый проходил через одну и ту же часть своего соответствующего бокса одновременно. Например, в то время как первый луч проходит через пустую коробку, чтобы поразить пиксель в верхнем левом углу в задней части коробки, второй луч проходит через заполненную коробку, чтобы попасть в верхний левый угол детектора ведра.

Теперь представьте, что перемещаете лазерный луч вокруг, чтобы поразить каждый из пикселей позади пустого ящика, одновременно перемещая соответствующий луч вокруг ящика с объектом. В то время как первый световой луч всегда будет попадать в пиксель позади пустой коробки, второй световой луч иногда будет блокироваться объектом и не достигает детектора ведра. Процессор, получающий сигнал от обоих детекторов света, записывает только пиксель изображения, когда свет попадает на оба детектора одновременно. Таким образом можно построить силуэтное изображение, даже если свет, падающий на многопиксельную камеру, не коснулся объекта.

В этом простом примере два прямоугольника подсвечиваются по одному пикселю за раз. Однако, используя квантовую корреляцию между фотонами от двух лучей, правильное изображение также может быть записано с использованием сложных распределений света. Кроме того, правильное изображение может быть записано с использованием только одного луча, проходящего через управляемый компьютером модулятор света на однопиксельный детектор.[4]

Приложения

Освещение пучком Бесселя

По состоянию на 2012 год, ARL ученые разработали пучок света без дифракции, также называемый освещением пучком Бесселя. В статье, опубликованной 10 февраля 2012 года, команда изложила свое технико-экономическое обоснование виртуального призрачного изображения с использованием луча Бесселя для устранения неблагоприятных условий с ограниченной видимостью, таких как облачная вода, листва джунглей или за углами.[8][10] Лучи Бесселя создают узоры из концентрических кругов. Когда луч блокируется или затемняется по своей траектории, исходный рисунок в конечном итоге изменяется, чтобы создать четкое изображение.[11]

Создание изображений при очень низком уровне освещенности

В спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC) является удобным источником пар запутанных фотонов с сильными пространственными корреляциями.[12] Такие объявленные одиночные фотоны можно использовать для достижения высокого отношения сигнал / шум, фактически устраняя фоновые подсчеты из записанных изображений. Применяя принципы сжатия изображений и соответствующей реконструкции изображений, можно формировать высококачественные изображения объектов из необработанных данных со средним числом менее одного детектируемого фотона на пиксель изображения.[13]

Фотонно-разреженная микроскопия в инфракрасном свете

Инфракрасные камеры, сочетающие низкий уровень шума с однофотонной чувствительностью, недоступны. Инфракрасное освещение уязвимой цели редкими фотонами можно комбинировать с камерой, подсчитывающей видимые фотоны за счет использования фантомного изображения с коррелированными фотонами, которые имеют существенно разные длины волн, генерируемые сильно невыродиться Процесс SPDC. Инфракрасные фотоны с длиной волны 1550 нм освещают цель и обнаруживаются однофотонным лавинным диодом InGaAs / InP. Данные изображения записываются с одновременно обнаруженных, коррелированных по положению, видимых фотонов с длиной волны 460 нм с использованием высокоэффективной малошумящей камеры для подсчета фотонов. Таким образом можно получить изображение светочувствительных биологических образцов.[14]

Дистанционное зондирование

Призрачная визуализация рассматривается для применения в системах дистанционного зондирования в качестве возможного конкурента лазерным радарам с визуализацией (ЛИДАР ). Теоретическое сравнение производительности между импульсным вычислительным формирователем изображения-призрака и импульсным лазерным радаром с визуализацией с прожекторным освещением выявило сценарии, в которых система формирования отраженного изображения имеет преимущества.[15]

Рентгеновское и электронное фантомное изображение

Призрачные изображения были продемонстрированы для множества приложений фотонной науки. Эксперимент по визуализации призрачных изображений для жесткого рентгеновского излучения был недавно проведен с использованием данных, полученных на Европейском синхротроне.[16] Здесь спекловые импульсы рентгеновского излучения от отдельных пучков электронных синхротронов были использованы для создания основы фантомного изображения, что позволило подтвердить концепцию экспериментальной рентгеновской фантомной визуализации. В то же время, когда был опубликован этот эксперимент, был опубликован вариант рентгеновского фантомного изображения в пространстве Фурье.[17] Призрачные изображения также были предложены для применения в рентгеновских ЛСЭ.[18] Классическая визуализация с использованием компрессионного зондирования была также продемонстрирована на ультрарелятивистских электронах.[19]

Рекомендации

  1. ^ Саймон, Дэвид С .; Джегер, Грегг; Сергиенко, Александр В. (2017). «Глава 6 - Призрачные изображения и связанные темы». Квантовая метрология, визуализация и коммуникация. С. 131–158. Дои:10.1007/978-3-319-46551-7_6. ISSN  2364-9054.
  2. ^ Erkmen, Baris I .; Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Единая теория визуализации призраков с гауссовым светом». Физический обзор A. 77 (4): 043809. arXiv:0712.3554. Bibcode:2008PhRvA..77d3809E. Дои:10.1103 / PhysRevA.77.043809. ISSN  1050-2947.
  3. ^ Бромберг, Ярон; Кац, Ори; Зильберберг, Ярон (2009). «Призрачное изображение с помощью одного детектора». Физический обзор A. 79 (5): 053840. arXiv:0812.2633. Bibcode:2009PhRvA..79e3840B. Дои:10.1103 / PhysRevA.79.053840. ISSN  1050-2947.
  4. ^ а б Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Вычислительная визуализация призраков». Физический обзор A. 78 (6): 061802. arXiv:0807.2614. Bibcode:2008PhRvA..78f1802S. Дои:10.1103 / PhysRevA.78.061802. ISSN  1050-2947.
  5. ^ Кац, Ори; Бромберг, Ярон; Зильберберг, Ярон (2009). «Компрессионная фантомная визуализация». Письма по прикладной физике. 95 (13): 131110. arXiv:0905.0321. Bibcode:2009АпФЛ..95м1110К. Дои:10.1063/1.3238296. ISSN  0003-6951.
  6. ^ «Призрачное изображение ARL прорезает турбулентность поля боя - Defense Systems». Системы защиты. Получено 10 июля, 2018.
  7. ^ «19 патентов армейских ученых ведут к прогрессу в области квантовой визуализации | Исследовательская лаборатория армии США». www.arl.army.mil. Получено 10 июля, 2018.
  8. ^ а б "Принцип визуализации виртуальных призраков изучен. Ученые ARL доказали, что свет может попасть к цели через затенение | Исследовательская лаборатория армии США". www.arl.army.mil. Получено 10 июля, 2018.
  9. ^ Райан С. Беннинк, Шон Дж. Бентли и Роберт В. Бойд (2002). ""Двухфотонная «визуализация совпадений с классическим источником». Письма с физическими проверками. 89 (11): 113601. Bibcode:2002PhRvL..89k3601B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.89.113601. PMID  12225140.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  10. ^ "Секретное оружие армии - это квантовый физик, пионер" призрачной визуализации """. Быстрая Компания. 7 мая 2013 г.. Получено 10 июля, 2018.
  11. ^ «Виртуальная визуализация-призрак: новая технология позволяет получать изображения даже в очень неблагоприятных условиях». ScienceDaily. Получено 10 июля, 2018.
  12. ^ Walborn, S.P .; Monken, C.H .; Pádua, S .; Соуто Рибейро, P.H. (2010). «Пространственные корреляции в параметрическом понижающем преобразовании». Отчеты по физике. 495 (4–5): 87–139. arXiv:1010.1236. Bibcode:2010PhR ... 495 ... 87 Вт. Дои:10.1016 / j.physrep.2010.06.003. ISSN  0370-1573.
  13. ^ Моррис, Питер А .; Aspden, Reuben S .; Белл, Джессика Э. С .; Бойд, Роберт В .; Паджетт, Майлз Дж. (2015). «Визуализация с малым числом фотонов». Nature Communications. 6: 5913. arXiv:1408.6381. Bibcode:2015 НатКо ... 6.5 9 13 млн. Дои:10.1038 / ncomms6913. ISSN  2041-1723.
  14. ^ Aspden, Reuben S .; Gemmell, Nathan R .; Моррис, Питер А .; Tasca, Daniel S .; Мертенс, Лена; Таннер, Майкл Дж .; Кирквуд, Роберт А .; Руджери, Алессандро; Този, Альберто; Бойд, Роберт В .; Buller, Gerald S .; Хэдфилд, Роберт Х .; Паджетт, Майлз Дж. (2015). «Фотонно-разреженная микроскопия: визуализация в видимом свете с использованием инфракрасного освещения» (PDF). Optica. 2 (12): 1049. Дои:10.1364 / OPTICA.2.001049. ISSN  2334-2536.
  15. ^ Харди, Николас Д .; Шапиро, Джеффри Х. (2013). «Вычислительная визуализация фантомных изображений по сравнению с лазерным радаром для получения трехмерных изображений». Физический обзор A. 87 (2): 023820. arXiv:1212.3253. Bibcode:2013PhRvA..87b3820H. Дои:10.1103 / PhysRevA.87.023820. ISSN  1050-2947.
  16. ^ Пелличча, Даниэле; Стойка, Александр; Шил, Марио; Кантелли, Валентина; Паганин, Давид М. (2016). «Экспериментальная рентгеновская призрачная визуализация». Письма с физическими проверками. 117 (11): 113902. arXiv:1605.04958. Bibcode:2016ПхРвЛ.117к3902П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.113902.
  17. ^ Yu, H .; Lu, R .; Han, S .; Xie, H .; Du, G .; Xiao, T .; Чжу, Д. (2016). "Призрачное изображение с преобразованием Фурье с помощью жестких рентгеновских лучей". Письма с физическими проверками. 117 (11): 113901. arXiv:1603.04388. Bibcode:2016PhRvL.117k3901Y. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.113901.
  18. ^ Ratner, D .; Cryan, J.P .; Lane, T.J .; Li, S .; Ступаков, Г. (2019). «Зонд-насос-призрачная визуализация с помощью ЛСЭ SASE». Физический обзор X. 9 (1): 011045. Дои:10.1103 / PhysRevX.9.011045.
  19. ^ Li, S .; Cropp, F .; Кабра, К .; Lane, T.J .; Wetzstein, G .; Musumeci, P .; Ратнер, Д. (2018). "Электронная визуализация призраков". Письма с физическими проверками. 121 (11): 114801. Дои:10.1103 / PhysRevLett.121.114801.

внешняя ссылка