Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, com colegas da Universidade de Stanford e da Universidade Estadual de Oklahoma, introduziram um método de imagem de fase de inspiração quântica baseado em medições de correlação de intensidade de luz que é robusto ao ruído de fase.



O novo método de imagem pode operar mesmo com iluminação extremamente fraca e pode ser útil em aplicações emergentes, como imagens interferométricas de infravermelho e raios X e interferometria quântica e de ondas de matéria. Os resultados da pesquisa foram publicados em Science Advances .

Não importa se você tira fotos de um gato com seu smartphone ou cria imagens de culturas de células com um microscópio avançado, você faz isso medindo a intensidade (brilho) da luz pixel por pixel. A luz é caracterizada não apenas pela sua intensidade, mas também pela sua fase. Curiosamente, objetos transparentes podem se tornar visíveis se você conseguir medir o atraso de fase da luz que eles introduzem.

A microscopia de contraste de fase, pela qual Frits Zernike recebeu o Prêmio Nobel em 1953, revolucionou a imagem biomédica devido à possibilidade de obter imagens de alta resolução de diversas amostras transparentes e opticamente finas. O campo de pesquisa que emergiu da descoberta de Zernike inclui técnicas modernas de imagem, como holografia digital e imagem quantitativa de fase.

“Ele permite a caracterização quantitativa e sem rótulo de espécimes vivos, como culturas de células, e pode encontrar aplicações em neurobiologia ou pesquisa de câncer”, explica o Dr. Radek Lapkiewicz, chefe do Laboratório de Imagem Quântica da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.

No entanto, ainda há espaço para melhorias. "Por exemplo, a interferometria, um método de medição padrão para medições precisas de espessura em qualquer ponto do objeto examinado, só funciona quando o sistema está estável, não sujeito a quaisquer choques ou perturbações. É muito desafiador realizar tal teste, por por exemplo, num carro em movimento ou numa mesa a tremer", explica Jerzy Szuniewcz, estudante de doutoramento na Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.

Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, juntamente com colegas da Universidade de Stanford e da Universidade Estadual de Oklahoma, decidiram resolver este problema e desenvolver um novo método de imagem de fase que seja imune à instabilidade de fase.

De volta à velha escola

Como os pesquisadores tiveram a ideia da nova técnica? Já na década de 1960, Leonard Mandel e o seu grupo demonstraram que mesmo quando a interferência não é detectável em intensidade, as correlações podem revelar a sua presença. “Inspirados nos experimentos clássicos de Mandel, queríamos investigar como as medições de correlação de intensidade podem ser usadas para imagens de fase”, explica Lapkiewicz.

Numa medição de correlação, eles observaram pares de pixels e observaram se eles ficavam mais claros ou mais escuros ao mesmo tempo.

"Mostramos que tais medições contêm informações adicionais que não podem ser obtidas usando uma única foto, ou seja, medição de intensidade. Usando esse fato, demonstramos que na microscopia de fase baseada em interferência, as observações são possíveis mesmo quando os interferogramas padrão perdem em média todos os informações de fase e não há franjas registradas na intensidade.

"Com uma abordagem padrão, seria de se supor que não há informações úteis em tal imagem. No entanto, verifica-se que a informação está oculta nas correlações e pode ser recuperada através da análise de múltiplas fotos independentes de um objeto, permitindo-nos obter imagens perfeitas. interferogramas, mesmo que a interferência comum seja indetectável devido ao ruído" acrescenta Lapkiewicz.

"Em nosso experimento, a luz que passa através de um objeto de fase (nosso alvo, que queremos investigar) é sobreposta a uma luz de referência. Um atraso de fase aleatório é introduzido entre o objeto e os feixes de luz de referência - esse atraso de fase simula uma perturbação obstruindo os métodos de imagem de fase padrão. Consequentemente, nenhuma interferência é observada quando a intensidade é medida, ou seja, nenhuma informação sobre o objeto de fase pode ser obtida a partir de medições de intensidade.

"No entanto, a correlação intensidade-intensidade espacialmente dependente exibe um padrão de franja que contém a informação completa sobre o objeto de fase. Esta correlação intensidade-intensidade não é afetada por qualquer ruído de fase temporal variando mais lentamente que a velocidade do detector (~ 10 nanossegundos no experimento realizado) e pode ser medido acumulando dados durante um período de tempo arbitrariamente longo - o que é uma virada de jogo - medições mais longas significam mais fótons, o que se traduz em maior precisão", explica Jerzy Szuniewicz, o primeiro autor do trabalho.

Simplificando, se gravássemos um único quadro de filme, esse único quadro não nos daria nenhuma informação útil sobre a aparência do objeto em estudo. "Portanto, primeiro gravamos uma série inteira de quadros usando uma câmera e depois multiplicamos os valores de medição em cada par de pontos de cada quadro. Calculamos a média dessas correlações e gravamos uma imagem completa do nosso objeto", explica Szuniewicz.

"Existem muitas maneiras possíveis de recuperar o perfil de fase de um objeto observado a partir de uma sequência de imagens. No entanto, provamos que nosso método baseado na correlação intensidade-intensidade e na chamada técnica de holografia fora do eixo fornece uma precisão de reconstrução ideal." diz Stanisław Kurdziałek, o segundo autor do artigo.

Uma ideia brilhante para ambientes escuros

Uma abordagem de imagem de fase baseada na correlação de intensidade pode ser amplamente utilizada em ambientes muito ruidosos. O novo método funciona tanto com luz clássica (laser e térmica) quanto com luz quântica. Também pode ser implementado no regime de contagem de fótons, por exemplo, usando diodos de avalanche de fótons únicos. “Podemos utilizá-lo nos casos em que há pouca luz disponível ou quando não podemos utilizar alta intensidade de luz para não danificar o objeto, por exemplo, uma delicada amostra biológica ou uma obra de arte”, explica Szuniewicz.

“Nossa técnica ampliará as perspectivas em medições de fase, incluindo aplicações emergentes, como imagens infravermelhas e de raios X e interferometria quântica e de ondas de matéria”, conclui Lapkiewicz.

Mais informações: Jerzy Szuniewicz et al, Imagem de fase resistente a ruído com correlação de intensidade, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5396
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