Immagini fantasma - Ghost imaging

L'imaging fantasma (chiamato anche "imaging a coincidenza", "imaging a due fotoni" o "imaging a fotoni correlati") è una tecnica che produce un'immagine di un oggetto combinando le informazioni di due rilevatori di luce: un rilevatore multi- pixel convenzionale che non visualizzare l'oggetto, e un pixel singolo rivelatore (benna) che fa vedere l'oggetto. Sono state dimostrate due tecniche. Un metodo quantistico utilizza una sorgente di coppie di fotoni entangled , ciascuna coppia condivisa tra i due rivelatori, mentre un metodo classico utilizza una coppia di fasci coerenti correlati senza sfruttare l'entanglement. Entrambi gli approcci possono essere compresi nel quadro di un'unica teoria.

Storia

Le prime dimostrazioni di immagini fantasma erano basate sulla natura quantistica della luce . In particolare, per costruire un'immagine sono state utilizzate correlazioni quantistiche tra coppie di fotoni . Uno dei fotoni della coppia colpisce l'oggetto e quindi il rilevatore di secchio mentre l'altro segue un percorso diverso verso una telecamera (multi-pixel) . La fotocamera è costruita per registrare solo i pixel dei fotoni che colpiscono sia il rilevatore del secchio che il piano dell'immagine della fotocamera .

Esperimenti successivi hanno indicato che le correlazioni tra il raggio di luce che colpisce la fotocamera e il raggio che colpisce l'oggetto possono essere spiegate dalla fisica puramente classica. Se correlazioni quantistiche sono presenti, il rapporto segnale-rumore rapporto di immagine ricostruita può essere migliorata. Nel 2009 sono state dimostrate "imaging fantasma pseudotermico" e " diffrazione fantasma " implementando lo schema di "imaging fantasma computazionale", che ha attenuato la necessità di evocare argomenti di correlazione quantistica per il caso della sorgente pseudotermica.

Recentemente, è stato dimostrato che i principi del "rilevamento compresso" possono essere utilizzati direttamente per ridurre il numero di misurazioni richieste per la ricostruzione dell'immagine nell'imaging fantasma. Questa tecnica consente di produrre un'immagine di N pixel con molto meno di N misurazioni e può avere applicazioni in LIDAR e microscopia .

Progressi nella ricerca militare

L' US Army Research Laboratory (ARL) ha sviluppato immagini fantasma remote nel 2007 con l'obiettivo di applicare una tecnologia avanzata al suolo, ai satelliti e ai veicoli aerei senza equipaggio. Ronald E. Meyers e Keith S. Deacon di ARL, hanno ricevuto un brevetto nel 2013 per la loro tecnologia di imaging quantistico chiamata "System and Method for Image Enhancement and Improvement". I ricercatori hanno ricevuto il premio Army Research and Development Achievement Award per l'eccezionale ricerca nel 2009 con la prima immagine fantasma di un oggetto remoto.

Meccanismo

Un semplice esempio chiarisce il principio di base dell'imaging fantasma. Immagina due scatole trasparenti: una vuota e una che contiene un oggetto. La parete posteriore della scatola vuota contiene una griglia di molti pixel (cioè una telecamera), mentre la parete posteriore della scatola con l'oggetto è un grande pixel singolo (un rivelatore a secchiello). Quindi, fai brillare la luce laser in un divisore di fascio e rifletti i due raggi risultanti in modo tale che ciascuno passi attraverso la stessa parte della rispettiva scatola allo stesso tempo. Ad esempio, mentre il primo raggio passa attraverso la casella vuota per colpire il pixel nell'angolo in alto a sinistra sul retro della casella, il secondo raggio passa attraverso la casella piena per colpire l'angolo in alto a sinistra del rilevatore del secchio.

Ora immagina di spostare il raggio laser in modo da colpire ciascuno dei pixel sul retro della scatola vuota, spostando nel frattempo il raggio corrispondente intorno alla scatola con l'oggetto. Mentre il primo raggio di luce colpirà sempre un pixel sul retro della scatola vuota, il secondo raggio di luce a volte sarà bloccato dall'oggetto e non raggiungerà il rilevatore del secchio. Un processore che riceve un segnale da entrambi i rivelatori di luce registra solo un pixel di un'immagine quando la luce colpisce entrambi i rivelatori contemporaneamente. In questo modo è possibile costruire un'immagine della silhouette, anche se la luce diretta verso la telecamera multi-pixel non ha toccato l'oggetto.

In questo semplice esempio, le due caselle vengono illuminate un pixel alla volta. Tuttavia, utilizzando la correlazione quantistica tra i fotoni dei due fasci, l'immagine corretta può anche essere registrata utilizzando complesse distribuzioni della luce. Inoltre, l'immagine corretta può essere registrata utilizzando solo il raggio singolo che passa attraverso un modulatore di luce controllato da computer a un rilevatore a pixel singolo.

Applicazioni

Illuminazione a fascio di Bessel

A partire dal 2012, gli scienziati di ARL hanno sviluppato un raggio di luce privo di diffrazione, chiamato anche illuminazione a fascio di Bessel. In un documento pubblicato il 10 febbraio 2012, il team ha delineato il proprio studio di fattibilità sull'imaging fantasma virtuale utilizzando il raggio di Bessel, per affrontare condizioni avverse con visibilità limitata, come acqua torbida, fogliame della giungla o dietro gli angoli. Le travi di Bessel producono modelli a cerchi concentrici. Quando il raggio viene bloccato o oscurato lungo la sua traiettoria, il modello originale alla fine si riforma per creare un'immagine chiara.

Imaging con livelli di luce molto bassi

Il processo di conversione parametrica spontanea (SPDC) fornisce una comoda fonte di coppie di fotoni entangled con forti correlazioni spaziali. Tali fotoni singoli annunciati possono essere utilizzati per ottenere un elevato rapporto segnale-rumore, eliminando virtualmente i conteggi di sfondo dalle immagini registrate. Applicando i principi della compressione dell'immagine e della ricostruzione dell'immagine associata, è possibile formare immagini di oggetti di alta qualità da dati grezzi con una media di meno di un fotone rilevato per pixel dell'immagine.

Microscopia a fotoni sparsi con luce infrarossa

Le termocamere a infrarossi che combinano il basso rumore con la sensibilità di un singolo fotone non sono prontamente disponibili. L'illuminazione a infrarossi di un bersaglio vulnerabile con fotoni sparsi può essere combinata con una telecamera che conta i fotoni visibili attraverso l'uso di immagini fantasma con fotoni correlati che hanno lunghezze d'onda significativamente diverse, generati da un processo SPDC altamente non degenere . I fotoni infrarossi con una lunghezza d'onda di 1550 nm illuminano il bersaglio e vengono rilevati da un diodo a valanga a singolo fotone InGaAs / InP. I dati dell'immagine vengono registrati dai fotoni visibili rilevati in modo coincidente, correlati alla posizione, con una lunghezza d'onda di 460 nm utilizzando una fotocamera per il conteggio dei fotoni altamente efficiente, a basso rumore. In questo modo è possibile acquisire immagini di campioni biologici fotosensibili.

Rilevamento remoto

L'imaging fantasma viene preso in considerazione per l'applicazione nei sistemi di telerilevamento come possibile concorrente con i radar laser di imaging ( LIDAR ). Un confronto teorico delle prestazioni tra un ghost imager computazionale a impulsi e un radar laser per imaging con illuminazione a proiettore pulsato ha identificato scenari in cui un sistema di imaging fantasma riflettente presenta dei vantaggi.

Immagini fantasma a raggi X ed elettroni

L'imaging fantasma è stato dimostrato per una varietà di applicazioni della scienza dei fotoni. Recentemente è stato realizzato un esperimento di immagini fantasma per i raggi X duri utilizzando i dati ottenuti dall'European Synchrotron. Qui, impulsi macchiettati di raggi X da singoli grappoli di sincrotrone di elettroni sono stati utilizzati per generare una base di immagine fantasma, consentendo la prova del concetto per l'imaging fantasma a raggi X sperimentale. Nello stesso momento in cui è stato segnalato questo esperimento, è stata pubblicata una variante nello spazio di Fourier dell'imaging fantasma a raggi X. L'imaging fantasma è stato proposto anche per applicazioni FEL a raggi X. La classica immagine fantasma con rilevamento della compressione è stata dimostrata anche con elettroni ultra-relativistici.

Riferimenti

link esterno