Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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. [1] Были продемонстрированы два метода. Квантовый метод использует источник пар запутанныхфотонов, 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 [ править ]

Первые демонстрации визуализации призраков были основаны на квантовой природе света . В частности, для построения 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 фотонов, которые попадают как в бакет-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 г. «псевдотермическая фантомная визуализация» и «призрачная дифракция » были продемонстрированы путем реализации схемы «вычислительной фантомной визуализации» [3], которая ослабила необходимость приводить аргументы квантовой корреляции для случая псевдотермического источника. [4]

Недавно было показано, что принципы «сжатого зондирования» могут быть напрямую использованы 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 лидарах и микроскопии .

Достижения в военных исследованиях [ править ]

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. [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 приз за выдающиеся достижения в области научных исследований и разработок за выдающиеся исследования с первым призрачным изображением удаленного объекта. [8]

Механизм [ править ]

Простой пример поясняет основной принцип создания фантомных изображений. [9] Представьте себе два прозрачных ящика: один пустой, а другой содержит объект. Задняя стенка пустого бокса содержит сетку из множества пикселей (например, камеру), а задняя стенка бокса с объектом представляет собой большой однопиксельный датчик (ковшовый детектор). 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 ковшового детектора.

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 [ править ]

Освещение пучком Бесселя [ править ]

В 2012 году 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. [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]

Получение изображений с очень низким уровнем освещенности [ править ]

Процесс спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) обеспечивает удобный источник пар запутанных фотонов с сильными пространственными корреляциями. [12] Такие объявленные одиночные фотоны можно использовать для достижения высокого отношения сигнал / шум, практически 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 [ править ]

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 невырожденным процессом 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 [ править ]

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 выявило сценарии, в которых система формирования отраженного изображения имеет преимущества. [15]

Рентгеновские и электронные изображения с призраками [ править ]

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 рентгеновских лучей 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 призраков со сжатием также была продемонстрирована на ультрарелятивистских электронах. [19]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Саймон, Дэвид S .; Джегер, Грегг; Сергиенко, Александр В. (2017). «Глава 6 - Призрачные изображения и связанные темы». Квантовая метрология, визуализация и коммуникация . С. 131–158. DOI : 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». Physical Review . 77 (4): 043809. arXiv : 0712.3554 . Bibcode : 2008PhRvA..77d3809E . DOI : 10.1103 / PhysRevA.77.043809 . ISSN 1050-2947 . S2CID 37972784 .  
  3. ^ Бромберг, Ярон; Кац, Ори; Зильберберг, Ярон (2009). «Призрачное изображение с помощью одного детектора». Physical Review . 79 (5): 053840. arXiv : 0812.2633 . Bibcode : 2009PhRvA..79e3840B . DOI : 10.1103 / PhysRevA.79.053840 . ISSN 1050-2947 . S2CID 118390098 .  
  4. ^ a b Шапиро, Джеффри Х. (2008). «Вычислительная визуализация призраков». Physical Review . 78 (6): 061802. arXiv : 0807.2614 . Bibcode : 2008PhRvA..78f1802S . DOI : 10.1103 / PhysRevA.78.061802 . ISSN 1050-2947 . S2CID 10576835 .  
  5. ^ Кац, Ори; Бромберг, Ярон; Зильберберг, Ярон (2009). «Компрессионная фантомная визуализация». Письма по прикладной физике . 95 (13): 131110. arXiv : 0905.0321 . Bibcode : 2009ApPhL..95m1110K . DOI : 10.1063 / 1.3238296 . ISSN 0003-6951 . S2CID 118516184 .  
  6. ^ «„Фантомным“ARL в прорезает поле боя турбулентности - Оборонительные системы» . Системы защиты . Проверено 10 июля 2018 года .
  7. ^ «19 патентов армейских ученых приводят к достижениям в области квантового изображения | Исследовательская лаборатория армии США» . www.arl.army.mil . Проверено 10 июля 2018 года .
  8. ^ a b "Принцип визуализации виртуальных призраков изучен. Ученые ARL доказали, что свет может попасть к цели через затенение | Исследовательская лаборатория армии США" . www.arl.army.mil . Проверено 10 июля 2018 года .
  9. ^ Райан С. Беннинк, Шон Дж. Бентли и Роберт У. Бойд (2002). « » Двухфотонное «Совпадение изображений с помощью классического источника». Письма с физическим обзором . 89 (11): 113601. Bibcode : 2002PhRvL..89k3601B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.89.113601 . PMID 12225140 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  10. ^ «Секретное оружие армии - это квантовый физик, пионер« Призрачной визуализации » » . Быстрая компания . 7 мая 2013 года . Проверено 10 июля 2018 года .
  11. ^ «Визуализация виртуальных призраков: новая техника позволяет получать изображения даже в очень неблагоприятных условиях» . ScienceDaily . Проверено 10 июля 2018 года .
  12. ^ Walborn, SP; Монкен, Швейцария; Pádua, S .; Соуто-Рибейро, PH (2010). «Пространственные корреляции в параметрическом понижающем преобразовании». Отчеты по физике . 495 (4–5): 87–139. arXiv : 1010.1236 . Bibcode : 2010PhR ... 495 ... 87W . DOI : 10.1016 / j.physrep.2010.06.003 . ISSN 0370-1573 . S2CID 119221135 .  
  13. ^ Моррис, Питер А .; Aspden, Reuben S .; Белл, Джессика EC; Бойд, Роберт В .; Паджетт, Майлз Дж. (2015). «Визуализация с малым числом фотонов» . Nature Communications . 6 : 5913. arXiv : 1408.6381 . Bibcode : 2015NatCo ... 6.5913M . DOI : 10.1038 / ncomms6913 . ISSN 2041-1723 . PMC 4354036 . PMID 25557090 .   
  14. ^ Аспден, Рувим С .; 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. Bibcode : 2015 Оптический ... 2.1049A . DOI : 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». Physical Review . 87 (2): 023820. arXiv : 1212.3253 . Bibcode : 2013PhRvA..87b3820H . DOI : 10.1103 / PhysRevA.87.023820 . ISSN 1050-2947 . S2CID 571212 .  
  16. ^ Пелличча, Даниэле; Стойка, Александр; Шил, Марио; Кантелли, Валентина; Паганин, Давид М. (2016). «Экспериментальная рентгеновская призрачная визуализация». Письма с физическим обзором . 117 (11): 113902. arXiv : 1605.04958 . Bibcode : 2016PhRvL.117k3902P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.113902 . PMID 27661687 . S2CID 206281577 .  
  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 физическим обзором . 117 (11): 113901. arXiv : 1603.04388 . Bibcode : 2016PhRvL.117k3901Y . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.113901 . PMID 27661686 . S2CID 11073798 .  
  18. ^ Ratner, D .; Cryan, JP; Lane, TJ; Li, S .; Ступаков, Г. (2019). «Зонд-насос-призрачная визуализация с помощью SASE FEL» . Physical Review X . 9 (1): 011045. Bibcode : 2019PhRvX ... 9a1045R . DOI : 10.1103 / PhysRevX.9.011045 .
  19. ^ Li, S .; Cropp, F .; Кабра, К .; Lane, TJ; Wetzstein, G .; Musumeci, P .; Ратнер, Д. (2018). "Электронная визуализация призраков" . Письма с физическим обзором . 121 (11): 114801. Bibcode : 2018PhRvL.121k4801L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.121.114801 . PMID 30265113 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Квантовая камера снимает объекты, которые она не может «видеть» Белль Дьюм, New Scientist, 2 мая 2008 г. По состоянию на июль 2008 г.
  • ВВС демонстрируют «призрачное изображение» Шарон Вайнбергер, Wired, 3 июня 2008 г. По состоянию на июль 2008 г.
  • 19 патентов армейских ученых ведут к прогрессу в области квантовой визуализации Новости лаборатории армейских исследований 19 ДЕКАБРЯ 2013 г. По состоянию на февраль 2014 г.