Призрачное изображение - Ghost imaging

Дух визуализация (также называемая «совпадение изображениями», «двухфотонные изображения» или «коррелируют-Фотон изображения») представляет собой метод , который производит изображение объекта путем объединения информации из двух детекторов света: обычный, мульти- пиксельного детектора , который не просматривает объект, а однопиксельный (ковшовый) детектор, который просматривает объект. Были продемонстрированы две техники. Квантовый метод использует источник пар запутанных фотонов, каждая пара совместно используется двумя детекторами, тогда как классический метод использует пару коррелированных когерентных лучей без использования запутанности. Оба подхода можно понять в рамках единой теории.

История

Первые демонстрации визуализации призраков были основаны на квантовой природе света . В частности, для создания изображения использовались квантовые корреляции между парами фотонов . Один из фотонов пары ударяет по объекту, а затем по ковш-детектору, а другой следует другим путем к (многопиксельной) камере . Камера сконструирована так, чтобы записывать только пиксели от фотонов, которые попадают как в ковшовый детектор, так и в плоскость изображения камеры .

Более поздние эксперименты показали, что корреляции между лучом света , попадающим в камеру, и лучом, падающим на объект, можно объяснить чисто классической физикой. Если присутствуют квантовые корреляции, отношение сигнал / шум восстановленного изображения может быть улучшено. В 2009 году «псевдотермическая фантомная визуализация» и «призрачная дифракция » были продемонстрированы путем реализации схемы «вычислительной фантомной визуализации», которая ослабила необходимость приводить аргументы квантовой корреляции для случая псевдотермического источника.

Недавно было показано, что принципы «сжатого зондирования» могут быть напрямую использованы для уменьшения количества измерений, необходимых для восстановления изображения при построении фантомных изображений. Этот метод позволяет получить изображение размером N пикселей с гораздо меньшим количеством измерений, чем N, и может найти применение в лидарах и микроскопии .

Успехи в военных исследованиях

Научно - исследовательская лаборатория армии США (ARL) разработала дистанционный томографию призрака в 2007 году с целью применения передовых технологий на землю, спутники и беспилотные летательные аппараты. 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». В 2009 году исследователи получили награду за выдающиеся достижения в области научных исследований и разработок армии США за первое призрачное изображение удаленного объекта.

Механизм

Простой пример поясняет основной принцип создания фантомных изображений. Представьте себе два прозрачных блока: один пустой, а другой - внутри. Задняя стенка пустого бокса содержит сетку из многих пикселей (например, камеру), а задняя стенка бокса с объектом представляет собой большой однопиксельный датчик (ковшовый детектор). Затем направьте лазерный луч 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 ковшового детектора.

Теперь представьте, как перемещаете лазерный луч, чтобы поразить каждый из пикселей позади пустого ящика, при этом перемещая соответствующий луч вокруг ящика с объектом. В то время как первый световой луч всегда попадает в пиксель позади пустого ящика, второй световой луч иногда блокируется 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 световых распределений. Кроме того, правильное изображение может быть записано с использованием только одного луча, проходящего через управляемый компьютером модулятор света на однопиксельный детектор.

Приложения

Освещение пучком Бесселя

С 2012 года ученые ARL разработали бездифракционный световой пучок, также называемый освещением бесселевым пучком. 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. 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.

Получение изображений при очень низком уровне освещенности

Процесс спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) обеспечивает удобный источник пар запутанных фотонов с сильными пространственными корреляциями. Такие объявленные одиночные фотоны можно использовать для достижения высокого отношения сигнал / шум, фактически устраняя фоновые подсчеты из записанных изображений. Применяя принципы сжатия изображения и соответствующей реконструкции изображения, можно формировать высококачественные изображения объектов из необработанных данных со средним числом менее одного детектируемого фотона на пиксель изображения.

Фотонно-разреженная микроскопия в инфракрасном свете

Инфракрасные камеры, сочетающие низкий уровень шума с однофотонной чувствительностью, недоступны. Инфракрасное освещение уязвимой цели разреженными фотонами можно комбинировать с камерой, подсчитывающей видимые фотоны, за счет использования фантомного изображения с коррелированными фотонами, которые имеют существенно разные длины волн, генерируемых сильно невырожденным процессом SPDC. Инфракрасные фотоны с длиной волны 1550 нм освещают цель и обнаруживаются однофотонным лавинным диодом InGaAs / InP. Данные изображения записываются от 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.

Дистанционное зондирование

Призрачные изображения рассматриваются для применения в системах дистанционного зондирования в качестве возможного конкурента лазерным радарам с визуализацией изображений ( LIDAR ). Теоретическое сравнение производительности между импульсным вычислительным формирователем изображения-призрака и импульсным лазерным радаром с визуализацией с прожекторным освещением позволило выявить сценарии, в которых система формирования отраженного изображения имеет преимущества.

Рентгеновская и электронная фантомная визуализация

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. Здесь для создания основы фантомного изображения использовались импульсы рентгеновского излучения с пятнами от отдельных пучков электронных синхротронов, что позволило подтвердить концепцию экспериментальной рентгеновской визуализации фантомных изображений. В то же время, когда был опубликован отчет об этом эксперименте, был опубликован вариант рентгеновского фантомного изображения в пространстве Фурье. Призрачные изображения также были предложены для применения в рентгеновских ЛСЭ. Классическая визуализация с использованием компрессионного зондирования также была продемонстрирована на ультрарелятивистских электронах.

Рекомендации

Внешние ссылки