Imágenes fantasma - Ghost imaging

La imagen fantasma (también llamada "imagen de coincidencia", "imagen de dos fotones" o "imagen de fotón correlacionado") es una técnica que produce una imagen de un objeto combinando información de dos detectores de luz: un detector de múltiples píxeles convencional que no ve el objeto, y un detector de un solo píxel (cubo) que sí ve el objeto. 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 en el marco de una sola teoría.

Historia

Las primeras demostraciones de imágenes fantasma se basaron en la naturaleza cuántica de la luz . Específicamente, se utilizaron correlaciones cuánticas entre pares de fotones para construir una imagen. Uno de los fotones del par golpea el objeto y luego el detector de cubos, mientras que el otro sigue un camino diferente hacia una cámara (de varios píxeles) . La cámara está construida para registrar solo píxeles de fotones que impactan tanto en el detector de cubos como en el plano de imagen de la cámara .

Experimentos posteriores indicaron que las correlaciones entre el rayo de luz que incide en la cámara y el rayo que incide en el objeto pueden explicarse mediante la física puramente clásica. Si existen correlaciones cuánticas, se puede mejorar la relación señal / ruido de la imagen reconstruida. En 2009, se demostraron las ' imágenes fantasma pseudotérmicas' y la ' difracción fantasma ' mediante la implementación del esquema de 'imágenes fantasmas computacionales', que relajó la necesidad de evocar argumentos de correlaciones cuánticas para el caso de la fuente pseudotérmica.

Recientemente, se demostró que los principios de 'Detección comprimida' se pueden utilizar directamente para reducir el número de mediciones necesarias para la reconstrucción de imágenes en imágenes fantasma. Esta técnica permite producir una imagen de N píxeles con mucho menos de N mediciones y puede tener aplicaciones en LIDAR y microscopía .

Avances en la investigación militar

El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) desarrolló imágenes fantasmas remotas en 2007 con el objetivo de aplicar tecnología avanzada a la tierra, los satélites y los vehículos aéreos no tripulados. Ronald E. Meyers y Keith S. Deacon de ARL, recibieron una patente en 2013 por su tecnología de imagen cuántica llamada "Sistema y método para la mejora y mejora de la imagen". Los investigadores recibieron el premio Army Research and Development Achievement Award por su destacada investigación en 2009 con la primera imagen fantasma de un objeto remoto.

Mecanismo

Un ejemplo simple aclara el principio básico de la imagen fantasma. Imagina dos cajas transparentes: una que está vacía y otra que tiene un objeto dentro. 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 gran píxel único (un detector de cubeta). A continuación, ilumine con luz láser un divisor de haz y refleje los dos haces resultantes de manera que cada uno pase por la misma parte de su respectiva caja al mismo tiempo. Por ejemplo, mientras el primer rayo pasa a través de la caja vacía para golpear el píxel en la esquina superior izquierda en la parte posterior de la caja, el segundo rayo pasa a través de la caja llena para golpear la esquina superior izquierda del detector de cubeta.

Ahora imagina que mueves el rayo láser para golpear cada uno de los píxeles en la parte posterior de la caja vacía, mientras tanto, mueves el rayo correspondiente alrededor de la caja con el objeto. Si bien el primer haz de luz siempre alcanzará un píxel en la parte posterior de la caja vacía, el objeto a veces bloqueará el segundo haz de luz y no alcanzará el detector de cubeta. Un procesador que recibe una señal de ambos detectores de luz solo registra un píxel de una imagen cuando la luz llega a ambos detectores al mismo tiempo. De esta manera, se puede construir una imagen de silueta, aunque la luz que va hacia la cámara de múltiples píxeles no toque el objeto.

En este sencillo ejemplo, los dos cuadros se iluminan un píxel a la vez. Sin embargo, utilizando la correlación cuántica entre los fotones de los dos haces, también se puede registrar la imagen correcta utilizando distribuciones de luz complejas. Además, la imagen correcta se puede grabar utilizando solo el haz único que pasa a través de un modulador de luz controlado por computadora a un detector de un solo píxel.

Aplicaciones

Iluminación de haz de Bessel

A partir de 2012, los científicos de 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 de fantasmas virtuales utilizando el haz de Bessel, para abordar condiciones adversas con visibilidad limitada, como agua turbia, follaje de la selva o en las esquinas. Las vigas de Bessel producen patrones de círculos concéntricos. Cuando el rayo se bloquea u oscurece a lo largo de su trayectoria, el patrón original finalmente se reforma para crear una imagen clara.

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. Estos fotones individuales anunciados pueden usarse para lograr una alta relación señal / ruido, eliminando virtualmente los recuentos de fondo de las imágenes grabadas. Aplicando principios de compresión de imágenes y reconstrucción de imágenes asociadas, se pueden formar imágenes de objetos de alta calidad a partir de datos sin procesar con un promedio de menos de un fotón detectado por píxel de imagen.

Microscopía de fotones dispersos con luz infrarroja

Las cámaras infrarrojas que combinan poco ruido con sensibilidad de fotón único no están disponibles fácilmente. La iluminación infrarroja de un objetivo vulnerable con fotones escasos 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, generadas 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 fotón único InGaAs / InP. Los datos de la imagen se registran a partir de los fotones visibles con correlación de posición y detectados coincidentemente con una longitud de onda de 460 nm utilizando una cámara de conteo de fotones de bajo ruido y alta eficiencia. De este modo se pueden obtener imágenes de muestras biológicas fotosensibles.

Sensores remotos

Se está considerando la aplicación de imágenes fantasma en sistemas de teledetección como posible competidor con los radares láser de imágenes ( LIDAR ). Una comparación de rendimiento teórico entre un generador de imágenes fantasma computacional pulsado y un radar láser de imágenes de iluminación por reflector de impulsos identificó escenarios en los que un sistema de imágenes fantasma reflectante tiene ventajas.

Imágenes fantasma de rayos X y electrones

Se ha demostrado la creación de imágenes fantasma para una variedad de aplicaciones científicas de fotones. Recientemente se logró un experimento de imágenes fantasma para rayos X duros utilizando datos obtenidos en el Sincrotrón Europeo. Aquí, se utilizaron pulsos moteados de rayos X de grupos de sincrotrón de electrones individuales para generar una base de imagen fantasma, lo que permitió la prueba de concepto para imágenes experimentales de rayos X fantasma. Al mismo tiempo que se informó sobre este experimento, se publicó una variante del espacio de Fourier de imágenes fantasma de rayos X. También se han propuesto imágenes fantasma para aplicaciones FEL de rayos X. Las imágenes clásicas de fantasmas con detección compresiva también se han demostrado con electrones ultrarrelativistas.

Referencias

enlaces externos