Призрачная визуализация
Призрачная визуализация (также называемая «изображением совпадения», «двухфотонной визуализацией» или «изображением коррелированных фотонов») — это метод, который создает изображение объекта путем объединения информации от двух детекторов света: обычного многопиксельного который детектора, не просматривает объект, а однопиксельный детектор (ведро) просматривает объект. [1] Были продемонстрированы две технологии. Квантовый . метод использует источник пар запутанных фотонов , каждая пара используется двумя детекторами, тогда как классический метод использует пару коррелированных когерентных лучей без использования запутанности Оба подхода могут быть поняты в рамках единой теории. [2]
История
[ редактировать ]Первая демонстрация призрачных изображений, выполненная Т. Б. Питтманом, Ю. Х. Ши, Д. В. Стрекаловым и А. В. Сергиенко 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, а другой следует по другому пути к (многопиксельной) камере . Камера сконструирована так, чтобы записывать только пиксели из запутанных пар фотонов, которые попадают как в детектор бакета, так и в плоскость изображения камеры (в отличие от запутанных пар фотонов, когда один попадает в плоскость изображения, а другой не попадает в детектор бакета, которые не регистрируются). ). Затем большое количество зарегистрированных запутанных пар постепенно формирует полное изображение.
Более поздние эксперименты показали, что корреляции между лучом света , попадающим в камеру, и лучом, попадающим на объект, можно объяснить чисто классической физикой. [4] сигнал/шум Если присутствуют квантовые корреляции, соотношение восстановленного изображения может быть улучшено. В 2009 году были продемонстрированы «псевдотермические призрачные изображения» и «фантомная дифракция » путем реализации схемы «вычислительного призрачного изображения», [5] что ослабило необходимость приводить аргументы о квантовых корреляциях в случае псевдотеплового источника. [6]
Недавно было показано, что принципы «сжатого зондирования» можно напрямую использовать для уменьшения количества измерений, необходимых для реконструкции изображения в призрачных изображениях. [7] Этот метод позволяет создавать изображение из N пикселей с гораздо меньшими затратами, чем N измерений, и может найти применение в лидаре и микроскопии .
Достижения в военных исследованиях
[ редактировать ]Исследовательская лаборатория армии США (ARL) в 2007 году разработала дистанционную призрачную визуализацию с целью применения передовых технологий на земле, спутниках и беспилотных летательных аппаратах . [8] 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 изображений». [9] В 2009 году исследователи получили Армейскую премию за достижения в области исследований и разработок за выдающиеся исследования, получив первое призрачное изображение удаленного объекта. [10]
Механизм
[ редактировать ]Простой пример поясняет основной принцип создания призрачных изображений. [11] Представьте себе два прозрачных ящика: один пустой, а другой содержит какой-то объект. Задняя стенка пустого ящика содержит сетку из множества пикселей (т.е. камеру), а задняя стенка ящика с объектом представляет собой большой однопиксель (детектор ведра). Затем направьте лазерный луч на светоделитель и отразите два полученных луча так, чтобы каждый из них одновременно проходил через одну и ту же часть соответствующего ящика. Например, в то время как первый луч проходит через пустой блок и попадает в пиксель в верхнем левом углу задней части блока, второй луч проходит через заполненный блок и попадает в верхний левый угол детектора бакета.
Теперь представьте, что вы перемещаете лазерный луч, чтобы поразить каждый из пикселей позади пустой коробки, одновременно перемещая соответствующий луч вокруг коробки с объектом. Хотя первый луч света всегда попадает на пиксель позади пустой коробки, второй луч света 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, идущий в сторону многопиксельной камеры, не коснулся объекта.
В этом простом примере два поля подсвечиваются по одному пикселю за раз. Однако, используя квантовую корреляцию между фотонами двух лучей, правильное изображение также можно записать, используя сложное распределение света. Кроме того, правильное изображение можно записать, используя только один луч, проходящий через управляемый компьютером модулятор света на однопиксельный детектор. [6]
Приложения
[ редактировать ]Освещение бесселевым лучом
[ редактировать ]По состоянию на 2012 год [update]Ученые ARL . разработали световой луч без дифракции, также называемый освещением лучом Бесселя В статье, опубликованной 10 февраля 2012 года, команда изложила свое технико-экономическое обоснование создания виртуальных призрачных изображений с использованием луча Бесселя для решения неблагоприятных условий с ограниченной видимостью, таких как мутная вода, листва джунглей или за углами. [10] [12] Бесселевые балки создают узоры в виде концентрических кругов. Когда луч блокируется или скрывается на его траектории, исходный рисунок в конечном итоге преобразуется, создавая четкое изображение. [13]
Изображение при очень низком уровне освещенности
[ редактировать ]Процесс спонтанного параметрического понижающего преобразования (SPDC) обеспечивает удобный источник пар запутанных фотонов с сильными пространственными корреляциями. [14] Такие провозглашенные одиночные фотоны можно использовать для достижения высокого отношения сигнал/шум, практически исключая подсчет фона в записанных изображениях. Применяя принципы сжатия изображений и связанную с ними реконструкцию изображений, можно формировать высококачественные изображения объектов из необработанных данных со средним количеством обнаруженных фотонов на пиксель изображения. [15]
Фотонно-разреженная микроскопия в инфракрасном свете
[ редактировать ]Инфракрасные камеры, сочетающие в себе низкий уровень шума и однофотонную чувствительность, недоступны. Инфракрасное освещение уязвимой цели редкими фотонами можно комбинировать с камерой, подсчитывающей видимые фотоны, за счет использования призрачных изображений с коррелированными фотонами, которые имеют существенно разные длины волн, генерируемые с помощью высоконевырожденного процесса SPDC. Инфракрасные фотоны с длиной волны 1550 нм освещают мишень и детектируются однофотонным лавинным диодом InGaAs/InP. Данные изображения записываются из одновременно обнаруженных, позиционно-коррелированных видимых фотонов с длиной волны 460 нм с использованием высокоэффективной малошумящей камеры для подсчета фотонов. Таким образом, можно визуализировать светочувствительные биологические образцы. [16]
Дистанционное зондирование
[ редактировать ]Призрачные изображения рассматриваются для применения в системах дистанционного зондирования в качестве возможного конкурента лазерным радарам формирования изображений ( ЛИДАР ). Теоретическое сравнение характеристик импульсного вычислительного формирователя призрачных изображений и импульсного лазерного радара с прожекторным освещением выявило сценарии, в которых система отражения призрачных изображений имеет преимущества. [17]
Рентгеновская и электронная призрачная визуализация
[ редактировать ]Призрачные изображения были продемонстрированы для различных приложений фотонной науки. Недавно был проведен эксперимент по созданию призрачных изображений в жестком рентгеновском излучении с использованием данных, полученных на Европейском синхротроне. [18] Здесь пятнистые импульсы рентгеновского излучения от отдельных электронных синхротронных сгустков использовались для создания основы призрачного изображения, что позволило проверить концепцию экспериментальных рентгеновских изображений-призраков. В то же время, когда было опубликовано сообщение об этом эксперименте, в пространстве Фурье . был опубликован вариант призрачной рентгеновской визуализации [19] Призрачные изображения также были предложены для применения в рентгеновских лучах ЛСЭ. [20] Классическое призрачное изображение с помощью компрессионного зондирования также было продемонстрировано на ультрарелятивистских электронах . [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Саймон, Дэвид С.; Джагер, Грегг; Сергиенко, Александр В. (2017). «Глава 6. Призрачная визуализация и связанные с ней темы». Квантовая метрология, визуализация и связь . стр. 131–158. дои : 10.1007/978-3-319-46551-7_6 . ISSN 2364-9054 .
- ^ Эркмен, Барис И.; Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Единая теория призрачного изображения с помощью света в гауссовском состоянии». Физический обзор А. 77 (4): 043809. arXiv : 0712.3554 . Бибкод : 2008PhRvA..77d3809E . дои : 10.1103/PhysRevA.77.043809 . ISSN 1050-2947 . S2CID 37972784 .
- ^ Питтман, ТБ; Ши, Ю.Х.; Стрекалов Д.В.; Сергиенко А.В. (1 ноября 1995 г.). «Оптическая визуализация посредством двухфотонной квантовой запутанности» . Физический обзор А. 52 (5): Р3429–Р3432. Бибкод : 1995PhRvA..52.3429P . дои : 10.1103/PhysRevA.52.R3429 . ISSN 1050-2947 . ПМИД 9912767 .
- ^ Гатти, А.; Брамбилла, Э.; Бач, М.; Луджиато, Луизиана (26 августа 2004 г.). «Призрачное изображение с помощью теплового света: сравнение запутанности и классической корреляции» . Письма о физических отзывах . 93 (9): 093602. arXiv : quant-ph/0307187 . Бибкод : 2004PhRvL..93i3602G . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.093602 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 15447100 . S2CID 53345826 .
- ^ Бромберг, Ярон; Кац, Ори; Зильберберг, Ярон (2009). «Призрачная визуализация с помощью одного детектора». Физический обзор А. 79 (5): 053840. arXiv : 0812.2633 . Бибкод : 2009PhRvA..79e3840B . дои : 10.1103/PhysRevA.79.053840 . ISSN 1050-2947 . S2CID 118390098 .
- ^ Jump up to: а б Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Вычислительная призрачная визуализация». Физический обзор А. 78 (6): 061802. arXiv : 0807.2614 . Бибкод : 2008PhRvA..78f1802S . дои : 10.1103/PhysRevA.78.061802 . ISSN 1050-2947 . S2CID 10576835 .
- ^ Кац, Ори; Бромберг, Ярон; Зильберберг, Ярон (2009). «Сжимающее призрачное изображение». Письма по прикладной физике . 95 (13): 131110. arXiv : 0905.0321 . Бибкод : 2009АпФЛ..95м1110К . дои : 10.1063/1.3238296 . ISSN 0003-6951 . S2CID 118516184 .
- ^ «Призрачная визуализация ARL пробивается сквозь турбулентность на поле боя – Defense Systems» . Защитные системы . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ «19 патентов армейских ученых ведут к достижениям в области квантовой визуализации | Исследовательская лаборатория армии США» . www.arl.army.mil . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б «Исследован принцип виртуального призрачного изображения. Учёные ARL доказывают, что свет может достигать цели через помехи | Исследовательская лаборатория армии США» . www.arl.army.mil . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Райан С. Беннинк; Шон Дж. Бентли; Роберт В. Бойд (2002). « Двухфотонное совпадение изображений с классическим источником». Письма о физических отзывах . 89 (11): 113601. Бибкод : 2002PhRvL..89k3601B . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.113601 . ПМИД 12225140 .
- ^ «Секретное оружие армии — это квантовый физик, пионер «призрачной визуализации» » . Компания Фаст . 7 мая 2013 года . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ «Виртуальная призрачная визуализация: новая технология позволяет получать изображения даже в крайне неблагоприятных условиях» . ScienceDaily . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Уолборн, СП; Монкен, Швейцария; Падуя, С.; Соуто Рибейро, PH (2010). «Пространственные корреляции при параметрическом понижающем преобразовании». Отчеты по физике . 495 (4–5): 87–139. arXiv : 1010.1236 . Бибкод : 2010PhR...495...87W . doi : 10.1016/j.physrep.2010.06.003 . ISSN 0370-1573 . S2CID 119221135 .
- ^ Моррис, Питер А.; Аспден, Рубен С.; Белл, Джессика ЕС; Бойд, Роберт В.; Пэджетт, Майлз Дж. (2015). «Изображение с помощью малого количества фотонов» . Природные коммуникации . 6 : 5913. arXiv : 1408.6381 . Бибкод : 2015NatCo...6.5913M . дои : 10.1038/ncomms6913 . ISSN 2041-1723 . ПМК 4354036 . ПМИД 25557090 .
- ^ Аспден, Рубен С.; Геммелл, Натан Р.; Моррис, Питер А.; Таска, Дэниел С.; Мертенс, Лена; Таннер, Майкл Г.; Кирквуд, Роберт А.; Руджери, Алессандро; Този, Альберто; Бойд, Роберт В.; Буллер, Джеральд С.; Хэдфилд, Роберт Х.; Пэджетт, Майлз Дж. (2015). «Фотонно-разреженная микроскопия: визуализация в видимом свете с использованием инфракрасного освещения» (PDF) . Оптика . 2 (12): 1049. Бибкод : 2015Оптика...2.1049А . дои : 10.1364/OPTICA.2.001049 . ISSN 2334-2536 .
- ^ Харди, Николас Д.; Шапиро, Джеффри Х. (2013). «Вычислительная призрачная визуализация по сравнению с лазерным радаром для получения трехмерных изображений». Физический обзор А. 87 (2): 023820. arXiv : 1212.3253 . Бибкод : 2013PhRvA..87b3820H . дои : 10.1103/PhysRevA.87.023820 . ISSN 1050-2947 . S2CID 571212 .
- ^ Пеличча, Даниэле; Рак, Александр; Шил, Марио; Кантелли, Валентина; Паганин, Давид М. (2016). «Экспериментальная рентгеновская призрачная визуализация». Письма о физических отзывах . 117 (11): 113902. arXiv : 1605.04958 . Бибкод : 2016PhRvL.117k3902P . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.113902 . ПМИД 27661687 . S2CID 206281577 .
- ^ Ю, Х.; Лу, Р.; Хан, С.; Се, Х.; Ду, Г.; Сяо, Т.; Чжу, Д. (2016). «Призрачная визуализация с преобразованием Фурье с помощью жестких рентгеновских лучей». Письма о физических отзывах . 117 (11): 113901. arXiv : 1603.04388 . Бибкод : 2016PhRvL.117k3901Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.113901 . ПМИД 27661686 . S2CID 11073798 .
- ^ Ратнер, Д.; Крайан, JP; Лейн, Ти Джей; Ли, С.; Ступаков, Г. (2019). «Призрачная визуализация насос-зонда с помощью SASE FEL» . Физический обзор X . 9 (1): 011045. Бибкод : 2019PhRvX...9a1045R . дои : 10.1103/PhysRevX.9.011045 .
- ^ Ли, С.; Кропп, Ф.; Кабра, К.; Лейн, Ти Джей; Вецштейн, Г.; Мусумечи, П.; Ратнер, Д. (2018). «Электронная призрачная визуализация» . Письма о физических отзывах . 121 (11): 114801. Бибкод : 2018PhRvL.121k4801L . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.114801 . ПМИД 30265113 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Квантовая камера фиксирует объекты, которые она не может «видеть» , Belle Dume, New Scientist, 2 мая 2008 г. По состоянию на июль 2008 г.
- ВВС демонстрируют «призрачную визуализацию», Шэрон Вайнбергер, Wired, 3 июня 2008 г. По состоянию на июль 2008 г.
- 19 патентов армейских ученых привели к достижениям в области квантовой визуализации Новости армейской исследовательской лаборатории, 19 ДЕКАБРЯ 2013 г. По состоянию на февраль 2014 г.