Imagem fantasma - Ghost imaging

Imagem fantasma (também chamada de "imagem de coincidência", "imagem de dois fótons" ou "imagem de fóton correlacionado") é uma técnica que produz uma imagem de um objeto combinando informações de dois detectores de luz: um detector convencional de múltiplos pixels que não se visualizar a um objecto, e um pixel detector (balde) que faz visualizar o objeto. Duas técnicas foram demonstradas. Um método quântico usa uma fonte de pares de fótons emaranhados , cada par compartilhado entre os dois detectores, enquanto um método clássico usa um par de feixes coerentes correlacionados sem explorar o emaranhamento. Ambas as abordagens podem ser entendidas no âmbito de uma única teoria.

História

As primeiras demonstrações de imagens fantasmas foram baseadas na natureza quântica da luz . Especificamente, correlações quânticas entre pares de fótons foram usadas para construir uma imagem. Um dos fótons do par atinge o objeto e, em seguida, o detector de balde, enquanto o outro segue um caminho diferente para uma câmera (multi-pixel) . A câmera é construída para registrar apenas pixels de fótons que atingem o detector de balde e o plano de imagem da câmera .

Experimentos posteriores indicaram que as correlações entre o feixe de luz que atinge a câmera e o feixe que atinge o objeto podem ser explicadas pela física puramente clássica. Se as correlações quânticos estão presentes, a relação sinal-ruído proporção da imagem reconstruída pode ser melhorada. Em 2009, 'imagem fantasma pseudotérmica' e ' difração fantasma ' foram demonstradas pela implementação do esquema de 'imagem fantasma computacional', que relaxou a necessidade de evocar argumentos de correlações quânticas para o caso da fonte pseudotérmica.

Recentemente, foi mostrado que os princípios de 'Compressed-Sensing' podem ser utilizados diretamente para reduzir o número de medições necessárias para a reconstrução de imagens em imagiologia fantasma. Esta técnica permite que uma imagem de N pixels seja produzida com muito menos do que N medições e pode ter aplicações em LIDAR e microscopia .

Avanços na pesquisa militar

O Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARL) desenvolveu imagens fantasmas remotas em 2007 com o objetivo de aplicar tecnologia avançada ao solo, satélites e veículos aéreos não tripulados. Ronald E. Meyers e Keith S. Deacon da ARL, receberam uma patente em 2013 por sua tecnologia de imagem quântica chamada "Sistema e Método para Aprimoramento e Melhoria de Imagem". Os pesquisadores receberam o Prêmio de Realização de Pesquisa e Desenvolvimento do Exército por pesquisas de destaque em 2009 com a primeira imagem fantasma de um objeto remoto.

Mecanismo

Um exemplo simples esclarece o princípio básico da imagem fantasma. Imagine duas caixas transparentes: uma que está vazia e outra que contém um objeto. A parede posterior da caixa vazia contém uma grade de muitos pixels (ou seja, uma câmera), enquanto a parede posterior da caixa com o objeto é um único pixel grande (um detector de balde). Em seguida, ilumine a luz do laser em um divisor de feixe e reflita os dois feixes resultantes de modo que cada um passe pela mesma parte de sua respectiva caixa ao mesmo tempo. Por exemplo, enquanto o primeiro feixe passa pela caixa vazia para atingir o pixel no canto superior esquerdo na parte de trás da caixa, o segundo feixe passa pela caixa preenchida para atingir o canto superior esquerdo do detector de balde.

Agora imagine mover o feixe de laser para atingir cada um dos pixels na parte de trás da caixa vazia, enquanto move o feixe correspondente ao redor da caixa com o objeto. Enquanto o primeiro feixe de luz sempre atinge um pixel na parte de trás da caixa vazia, o segundo feixe de luz às vezes será bloqueado pelo objeto e não alcançará o detector de balde. Um processador que recebe um sinal de ambos os detectores de luz registra apenas um pixel de uma imagem quando a luz atinge os dois detectores ao mesmo tempo. Desta forma, uma imagem de silhueta pode ser construída, mesmo que a luz que vai em direção à câmera multi-pixel não toque no objeto.

Neste exemplo simples, as duas caixas são iluminadas um pixel por vez. No entanto, usando a correlação quântica entre os fótons dos dois feixes, a imagem correta também pode ser gravada usando distribuições de luz complexas. Além disso, a imagem correta pode ser gravada usando apenas o feixe único que passa por um modulador de luz controlado por computador para um detector de pixel único.

Formulários

Iluminação do feixe de Bessel

Em 2012, os cientistas da ARL desenvolveram um feixe de luz livre de difração, também chamado de iluminação de feixe de Bessel. Em um artigo publicado em 10 de fevereiro de 2012, a equipe descreveu seu estudo de viabilidade de imagens de fantasmas virtuais usando o feixe de Bessel, para lidar com condições adversas com visibilidade limitada, como água turva, folhagem da selva ou em torno de cantos. Os feixes de Bessel produzem padrões de círculos concêntricos. Quando o feixe é bloqueado ou obscurecido ao longo de sua trajetória, o padrão original eventualmente se reforma para criar uma imagem nítida.

Imagens com níveis de luz muito baixos

O processo de conversão paramétrica descendente (SPDC) espontâneo fornece uma fonte conveniente de pares de fótons emaranhados com fortes correlações espaciais. Esses fótons únicos anunciados podem ser usados ​​para atingir uma alta relação sinal-ruído, eliminando virtualmente as contagens de fundo das imagens gravadas. Aplicando princípios de compressão de imagem e reconstrução de imagem associada, imagens de objetos de alta qualidade podem ser formadas a partir de dados brutos com uma média de menos de um fóton detectado por pixel de imagem.

Microscopia esparsa de fótons com luz infravermelha

Câmeras infravermelhas que combinam baixo ruído com sensibilidade de fóton único não estão prontamente disponíveis. A iluminação infravermelha de um alvo vulnerável com fótons esparsos pode ser combinada com uma câmera que conta fótons visíveis por meio do uso de imagens fantasmas com fótons correlacionados que têm comprimentos de onda significativamente diferentes, gerados por um processo SPDC altamente não degenerado . Fótons infravermelhos com comprimento de onda de 1550 nm iluminam o alvo e são detectados por um diodo de avalanche de fóton único InGaAs / InP. Os dados da imagem são registrados a partir dos fótons visíveis, coincidentemente detectados e correlacionados com a posição, com um comprimento de onda de 460 nm, usando uma câmera de contagem de fótons altamente eficiente e de baixo ruído. Amostras biológicas sensíveis à luz podem, assim, ser visualizadas.

Sensoriamento remoto

A imagem fantasma está sendo considerada para aplicação em sistemas de sensoriamento remoto como um possível competidor com radares a laser de imagem ( LIDAR ). Uma comparação de desempenho teórica entre um gerador de imagens fantasma computacional pulsado e um radar a laser de imagem com iluminação por holofote pulsado identificou cenários em que um sistema de imagem fantasma reflexivo tem vantagens.

Imagem de raio-x e elétron fantasma

A imagem fantasma foi demonstrada para uma variedade de aplicações da ciência do fóton. Um experimento de imagem fantasma para raios-X duros foi recentemente realizado usando dados obtidos no Síncrotron Europeu. Aqui, pulsos pontilhados de raios-x de feixes de síncrotron de elétrons individuais foram usados ​​para gerar uma base de imagem fantasma, permitindo a prova de conceito para imagens fantasma de raio-X experimental. Ao mesmo tempo que este experimento foi relatado, uma variante do espaço de Fourier da imagem fantasma de raios-X foi publicada. A imagem fantasma também foi proposta para aplicações de FEL de raios-X. A imagem fantasma clássica com detecção compressiva também foi demonstrada com elétrons ultra-relativísticos.

Referências

links externos