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Imágenes fantasma

La imagen fantasma (también llamada "imagen de coincidencia", "imagen de dos fotones" o "imagen de fotones correlacionados") es una técnica que produce una imagen de un objeto c...

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La imagen fantasma (también llamada "imagen de coincidencia", "imagen de dos fotones" o "imagen de fotones correlacionados") es una técnica que produce una imagen de un objeto combinando información de dos detectores de luz: un detector convencional de múltiples píxeles que no observa el objeto y un detector de un solo píxel (tipo cubo) que sí lo observa. [ 1 ] Se han demostrado dos técnicas. Un método cuántico utiliza una fuente de pares de fotones entrelazados , cada par compartido entre los dos detectores, mientras que un método clásico utiliza un par de haces coherentes correlacionados sin explotar el entrelazamiento. Ambos enfoques pueden entenderse dentro del marco de una misma teoría. [ 2 ]

Historia

La primera demostración de imágenes fantasma, realizada por TB Pittman, YH Shih, DV Strekalov y AV Sergienko en 1995, se basó en correlaciones cuánticas entre pares de fotones entrelazados . [ 3 ] Uno de los fotones del par impacta el objeto y luego el detector de cubeta, mientras que el otro sigue una trayectoria diferente hacia una cámara (multipíxel) . La cámara está construida para registrar solo los píxeles de pares de fotones entrelazados que impactan tanto el detector de cubeta como el plano de imagen de la cámara (a diferencia de los pares de fotones entrelazados donde uno impacta el plano de imagen pero el otro no impacta el detector de cubeta, que no se registran). Luego, un gran número de pares entrelazados registrados forman gradualmente una imagen completa.

Experimentos posteriores indicaron que las correlaciones entre el haz de luz que incide en la cámara y el haz que incide en el objeto pueden explicarse mediante la física clásica pura . [ 4 ] Si existen correlaciones cuánticas, la relación señal-ruido de la imagen reconstruida puede mejorarse. En 2009 se demostraron la «imagen fantasma pseudotérmica» y la « difracción fantasma » mediante la implementación del esquema de «imagen fantasma computacional», [ 5 ] lo que redujo la necesidad de recurrir a argumentos de correlaciones cuánticas para el caso de la fuente pseudotérmica. [ 6 ]

Recientemente, se demostró que los principios de "detección comprimida" pueden utilizarse directamente para reducir el número de mediciones necesarias para la reconstrucción de imágenes en imágenes fantasma. [ 7 ] Esta técnica permite producir una imagen de N píxeles con muchas menos de N mediciones y puede tener aplicaciones en LIDAR y microscopía .

Avances en la investigación militar

El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) desarrolló la imagen fantasma remota en 2007 con el objetivo de aplicar tecnología avanzada a la tierra, los satélites y los vehículos aéreos no tripulados . [ 8 ] Ronald E. Meyers y Keith S. Deacon del ARL recibieron una patente en 2013 por su tecnología de imagen cuántica llamada "Sistema y método para la mejora y el perfeccionamiento de imágenes". [ 9 ] Los investigadores recibieron el Premio al Logro en Investigación y Desarrollo del Ejército por su destacada investigación en 2009 con la primera imagen fantasma de un objeto remoto. [ 10 ]

Mecanismo

Un ejemplo sencillo aclara el principio básico de la imagen fantasma. [ 11 ] Imaginemos dos cajas transparentes: una vacía y otra con un objeto en su interior. La pared posterior de la caja vacía contiene una cuadrícula de muchos píxeles (es decir, una cámara), mientras que la pared posterior de la caja con el objeto es un píxel único grande (un detector de cubo). A continuación, se ilumina un divisor de haz con luz láser y se reflejan los dos haces resultantes de manera que cada uno pase por la misma parte de su respectiva caja al mismo tiempo. Por ejemplo, mientras que el primer haz pasa por la caja vacía e incide en el píxel de la esquina superior izquierda de la parte posterior de la caja, el segundo haz pasa por la caja con el objeto e incide en la esquina superior izquierda del detector de cubo.

Ahora imagina mover el rayo láser para que alcance cada uno de los píxeles en la parte posterior de la caja vacía, mientras que el rayo correspondiente se mueve alrededor de la caja con el objeto. Si bien el primer rayo de luz siempre alcanzará un píxel en la parte posterior de la caja vacía, el segundo rayo de luz a veces será bloqueado por el objeto y no llegará al detector de píxeles. Un procesador que recibe una señal de ambos detectores de luz solo registra un píxel de una imagen cuando la luz incide en ambos detectores simultáneamente. De esta manera, se puede construir una imagen de silueta, incluso si la luz que se dirige a la cámara multipíxel no tocó el objeto.

En este sencillo ejemplo, las dos cajas se iluminan píxel a píxel. Sin embargo, mediante la correlación cuántica entre fotones de los dos haces, también se puede registrar la imagen correcta utilizando distribuciones de luz complejas. Asimismo, se puede registrar la imagen correcta utilizando únicamente el haz que pasa a través de un modulador de luz controlado por ordenador hasta un detector de un solo píxel. [ 6 ]

Aplicaciones

Iluminación del haz de Bessel

A partir de 2012Científicos del ARL desarrollaron un haz de luz sin difracción, también llamado iluminación de haz de Bessel . En un artículo publicado el 10 de febrero de 2012, el equipo describió su estudio de viabilidad de imágenes fantasma virtuales utilizando el haz de Bessel, para abordar condiciones adversas con visibilidad limitada, como agua turbia, vegetación de la selva o alrededor de esquinas. [ 10 ] [ 12 ] Los haces de Bessel producen patrones de círculos concéntricos. Cuando el haz se bloquea u oscurece a lo largo de su trayectoria, el patrón original finalmente se reforma para crear una imagen clara. [ 13 ]

Imágenes con niveles de luz muy bajos

El proceso de conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) proporciona una fuente conveniente de pares de fotones entrelazados con fuertes correlaciones espaciales. [ 14 ] Estos fotones individuales anunciados pueden utilizarse para lograr una alta relación señal-ruido , eliminando prácticamente los recuentos de fondo de las imágenes registradas. Al aplicar principios de compresión de imágenes y reconstrucción de imágenes asociada, se pueden formar imágenes de alta calidad de objetos a partir de datos brutos con un promedio de menos de un fotón detectado por píxel de imagen. [ 15 ]

Microscopía con baja densidad de fotones mediante luz infrarroja

Las cámaras infrarrojas que combinan bajo ruido con sensibilidad a fotones individuales no están fácilmente disponibles. La iluminación infrarroja de un objetivo vulnerable con fotones dispersos se puede combinar con una cámara que cuenta fotones visibles mediante el uso de imágenes fantasma con fotones correlacionados que tienen longitudes de onda significativamente diferentes, generados por un proceso SPDC altamente no degenerado . Los fotones infrarrojos con una longitud de onda de 1550  nm iluminan el objetivo y son detectados por un diodo de avalancha de un solo fotón InGaAs/InP . Los datos de la imagen se registran a partir de los fotones visibles detectados coincidentemente y correlacionados en posición con una longitud de onda de 460  nm utilizando una cámara de conteo de fotones de alta eficiencia y bajo ruido. De esta manera, se pueden obtener imágenes de muestras biológicas sensibles a la luz. [ 16 ]

Teledetección

La técnica de imagen fantasma se está considerando para su aplicación en sistemas de teledetección como posible competidora de los radares láser de imágenes ( LIDAR ). Una comparación teórica del rendimiento entre un generador de imágenes fantasma computacional pulsado y un radar láser de imágenes pulsado con iluminación de inundación identificó escenarios en los que un sistema de imagen fantasma reflectante presenta ventajas. [ 17 ]

Imágenes fantasma de rayos X y electrones

Se ha demostrado la obtención de imágenes fantasma para diversas aplicaciones en la ciencia de los fotones. Recientemente se realizó un experimento de obtención de imágenes fantasma para rayos X duros utilizando datos obtenidos en el Sincrotrón Europeo. [ 18 ] En este caso, se utilizaron pulsos moteados de rayos X de haces individuales de electrones del sincrotrón para generar una base de imagen fantasma, lo que permitió demostrar la viabilidad del concepto de obtención de imágenes fantasma de rayos X experimentales. Al mismo tiempo que se informó sobre este experimento, se publicó una variante en el espacio de Fourier de la obtención de imágenes fantasma de rayos X. [ 19 ] También se ha propuesto la obtención de imágenes fantasma para aplicaciones de láseres de electrones libres de rayos X. [ 20 ] Asimismo, se ha demostrado la obtención de imágenes fantasma clásicas con detección compresiva utilizando electrones ultrarrelativistas . [ 21 ]

Referencias

  1. ↑ Simon, David S.; Jaeger, Gregg; Sergienko, Alexander V. (2017). "Capítulo 6: Imágenes fantasma y temas relacionados". Metrología cuántica, imágenes y comunicación . págs. 131–158 . doi : 10.1007/978-3-319-46551-7_6 . ISSN 2364-9054 .  
  2. ↑ Erkmen, Baris I.; Shapiro, Jeffrey H. (2008). "Teoría unificada de imágenes fantasma con luz de estado gaussiano". Physical Review A . 77 (4) 043809. arXiv : 0712.3554 . Bibcode : 2008PhRvA..77d3809E . doi : 10.1103/PhysRevA.77.043809 . ISSN 1050-2947 . S2CID 37972784 .  
  3. ↑ Pittman, TB; Shih, YH; Strekalov, DV; Sergienko, AV (1 de noviembre de 1995). "Imágenes ópticas mediante entrelazamiento cuántico de dos fotones" . Physical Review A. 52 ( 5): R3429– R3432. Bibcode : 1995PhRvA..52.3429P . doi : 10.1103/PhysRevA.52.R3429 . ISSN 1050-2947 . PMID 9912767 .  
  4. ↑ Gatti, A.; Brambilla, E.; Bache, M.; Lugiato, LA (26 de agosto de 2004). "Ghost Imaging with Thermal Light: Comparing Entanglement and Classical Correlation" . Physical Review Letters . 93 (9) 093602. arXiv : quant-ph/0307187 . Bibcode : 2004PhRvL..93i3602G . doi : 10.1103/ PhysRevLett.93.093602 . hdl : 11383/1491407 . ISSN 0031-9007 . PMID 15447100. S2CID 53345826 .   
  5. ↑ Bromberg, Yaron; Katz, Ori; Silberberg, Yaron (2009). "Ghost imaging with a single detector". Physical Review A . 79 (5) 053840. arXiv : 0812.2633 . Bibcode : 2009PhRvA..79e3840B . doi : 10.1103/PhysRevA.79.053840 . ISSN 1050-2947 . S2CID 118390098 .  
  6. 1 2 Shapiro, Jeffrey H. (2008). "Imágenes fantasma computacionales". Physical Review A . 78 (6) 061802. arXiv : 0807.2614 . Bibcode : 2008PhRvA..78f1802S . doi : 10.1103/PhysRevA.78.061802 . ISSN 1050-2947 . S2CID 10576835 .  
  7. ↑ Katz, Ori; Bromberg, Yaron; Silberberg, Yaron (2009). "Compression ghost imaging". Applied Physics Letters . 95 (13): 131110. arXiv : 0905.0321 . Bibcode : 2009ApPhL..95m1110K . doi : 10.1063/1.3238296 . ISSN 0003-6951 . S2CID 118516184 .  
  8. ↑ "La 'imagen fantasma' de ARL atraviesa la turbulencia del campo de batalla -- Defense Systems" . Defense Systems . Consultado el 10 de julio de 2018 .
  9. ↑ "19 patentes de científicos del ejército impulsan avances en imágenes cuánticas" . www.arl.army.mil . Consultado el 10 de julio de 2018 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  10. 1 2 "Principio de imagen fantasma virtual explorado: científicos de ARL demuestran que la luz puede llegar a un objetivo a través de materiales que la oscurecen" . www.arl.army.mil . Archivado del original el 13 de diciembre de 2016. Recuperado el 10 de julio de 2018 .
  11. ↑ Ryan S. Bennink; Sean J. Bentley; Robert W. Boyd (2002).Imágenes de coincidencia de "dos fotones" con una fuente clásica". Physical Review Letters . 89 (11) 113601. Bibcode : 2002PhRvL..89k3601B . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.113601 . PMID 12225140 . 
  12. ↑ "El arma secreta del ejército es este físico cuántico, pionero de la "imagen fantasma""" . Fast Company . 7 de mayo de 2013 . Consultado el 10 de julio de 2018 .
  13. ↑ "Imágenes fantasma virtuales: una nueva técnica permite obtener imágenes incluso en condiciones muy adversas" . ScienceDaily . Consultado el 10 de julio de 2018 .
  14. ↑ Walborn, SP; Monken, CH; Pádua, S.; Souto Ribeiro, PH (2010). "Correlaciones espaciales en la conversión descendente paramétrica". Physics Reports . 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 .  
  15. ↑ Morris, Peter A.; Aspden, Reuben S.; Bell, Jessica EC; Boyd, Robert W.; Padgett, Miles J. (2015). "Imágenes con un pequeño número de fotones" . Nature Communications . 6 5913. arXiv : 1408.6381 . Bibcode : 2015NatCo...6.5913M . doi : 10.1038/ ncomms6913 . ISSN 2041-1723 . PMC 4354036. PMID 25557090 .   
  16. ↑ Aspden, Reuben S.; Gemmell, Nathan R.; Morris, Peter A.; Tasca, Daniel S.; Mertens, Lena; Tanner, Michael G.; Kirkwood, Robert A.; Ruggeri, Alessandro; Tosi, Alberto; Boyd, Robert W.; Buller, Gerald S.; Hadfield, Robert H.; Padgett, Miles J. (2015). "Microscopía de fotones dispersos: imágenes de luz visible mediante iluminación infrarroja" (PDF) . Optica . 2 (12): 1049. Bibcode : 2015Optic...2.1049A . doi : 10.1364/OPTICA.2.001049 . ISSN 2334-2536 . 
  17. ↑ Hardy, Nicholas D.; Shapiro, Jeffrey H. (2013). "Imágenes fantasma computacionales versus radar láser de imágenes para imágenes tridimensionales". Physical Review A . 87 (2) 023820. arXiv : 1212.3253 . Bibcode : 2013PhRvA..87b3820H . doi : 10.1103/PhysRevA.87.023820 . ISSN 1050-2947 . S2CID 571212 .  
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  • Una cámara cuántica capta objetos que no puede "ver", por Belle Dume, New Scientist, 2 de mayo de 2008. Consultado en julio de 2008.
  • La Fuerza Aérea demuestra la "imagen fantasma" Por Sharon Weinberger, Wired, 3 de junio de 2008. Consultado en julio de 2008.
  • Diecinueve patentes de científicos del ejército impulsan avances en imágenes cuánticas. Noticias del Laboratorio de Investigación del Ejército, 19 de diciembre de 2013. Consultado en febrero de 2014.