التصوير الطيفي

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

التصوير الطيفي (ويُسمى أيضًا "التصوير المتزامن" أو "التصوير ثنائي الفوتون" أو "التصوير بالفوتونات المترابطة") هو تقنية تُنتج صورة لجسم ما من خلال دمج معلومات من كاشفين ضوئيين: كاشف تقليدي متعدد البكسلات لا يرصد الجسم، وكاشف أحادي البكسل (كاشف دلو) يرصد الجسم. [ 1 ] وقد تم إثبات تقنيتين. تستخدم الطريقة الكمومية مصدرًا لأزواج من الفوتونات المتشابكة ، حيث يتشارك الكاشفان كل زوج، بينما تستخدم الطريقة الكلاسيكية زوجًا من الحزم المتماسكة المترابطة دون استغلال التشابك. ويمكن فهم كلا النهجين ضمن إطار نظرية واحدة. [ 2 ]

تاريخ

استند أول عرض توضيحي للتصوير الطيفي، الذي أجراه كل من تي بي بيتمان، وواي إتش شيه، ودي في ستريكالوف، وإيه في سيرجينكو عام 1995، إلى الارتباطات الكمومية بين أزواج الفوتونات المتشابكة . [ 3 ] يصطدم أحد فوتوني الزوج بالجسم ثم بكاشف الفوتونات، بينما يسلك الفوتون الآخر مسارًا مختلفًا إلى كاميرا (متعددة البكسلات). صُممت الكاميرا لتسجيل البكسلات من أزواج الفوتونات المتشابكة التي تصطدم بكل من كاشف الفوتونات ومستوى صورة الكاميرا (على عكس أزواج الفوتونات المتشابكة التي يصطدم أحدها بمستوى الصورة فقط، بينما لا يصطدم الآخر بكاشف الفوتونات، والتي لا يتم تسجيلها). بعد ذلك، يتشكل تدريجيًا عدد كبير من أزواج الفوتونات المتشابكة المسجلة لتكوين صورة كاملة.

أشارت تجارب لاحقة إلى إمكانية تفسير الارتباطات بين شعاع الضوء الساقط على الكاميرا والشعاع الساقط على الجسم بواسطة الفيزياء الكلاسيكية البحتة . [ 4 ] في حال وجود ارتباطات كمومية، يمكن تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصورة المُعاد بناؤها. في عام 2009، تم إثبات تقنيتي "التصوير الشبح الحراري الزائف" و" حيود الأشباح " من خلال تطبيق مخطط "التصوير الشبح الحسابي"، [ 5 ] مما أغنى عن الحاجة إلى استحضار حجج الارتباطات الكمومية في حالة المصدر الحراري الزائف. [ 6 ]

Recently, it was shown that the principles of 'Compressed-Sensing' can be directly utilized to reduce the number of measurements required for image reconstruction in ghost imaging.[7] This technique allows an N pixel image to be produced with far less than N measurements and may have applications in LIDAR and microscopy.

Advances in military research

The U.S. Army Research Laboratory (ARL) developed remote ghost imaging in 2007 with the goal of applying advanced technology to the ground, satellites and unmanned aerial vehicles.[8] Ronald E. Meyers and Keith S. Deacon of ARL, received a patent in 2013 for their quantum imaging technology called, "System and Method for Image Enhancement and Improvement."[9] The researchers received the Army Research and Development Achievement Award for outstanding research in 2009 with the first ghost image of a remote object.[10]

Mechanism

A simple example clarifies the basic principle of ghost imaging.[11] Imagine two transparent boxes: one that is empty and one that has an object within it. The back wall of the empty box contains a grid of many pixels (i.e. a camera), while the back wall of the box with the object is a large single-pixel (a bucket detector). Next, shine laser light into a beamsplitter and reflect the two resulting beams such that each passes through the same part of its respective box at the same time. For example, while the first beam passes through the empty box to hit the pixel in the top-left corner at the back of the box, the second beam passes through the filled box to hit the top-left corner of the bucket detector.

Now imagine moving the laser beam around in order to hit each of the pixels at the back of the empty box, meanwhile moving the corresponding beam around the box with the object. While the first light beam will always hit a pixel at the back of the empty box, the second light beam will sometimes be blocked by the object and will not reach the bucket detector. A processor receiving a signal from both light detectors only records a pixel of an image when light hits both detectors at the same time. In this way, a silhouette image can be constructed, even though the light going towards the multi-pixel camera did not touch the object.

في هذا المثال البسيط، يُضاء المربعان بكسلًا واحدًا في كل مرة. مع ذلك، باستخدام الترابط الكمي بين الفوتونات من الشعاعين، يمكن أيضًا تسجيل الصورة الصحيحة باستخدام توزيعات ضوئية معقدة. كما يمكن تسجيل الصورة الصحيحة باستخدام شعاع واحد فقط يمر عبر مُعدِّل ضوئي مُتحكَّم به حاسوبيًا إلى كاشف أحادي البكسل. [ 6 ]

التطبيقات

إضاءة شعاع بيسل

اعتبارًا من عام 2012طوّر علماء مختبر أبحاث الجيش الأمريكي (ARL) شعاعًا ضوئيًا خاليًا من الانعراج، يُعرف أيضًا باسم إضاءة شعاع بيسل . في ورقة بحثية نُشرت في 10 فبراير 2012، أوضح الفريق دراسة جدوى التصوير الطيفي الافتراضي باستخدام شعاع بيسل، لمعالجة الظروف الصعبة ذات الرؤية المحدودة، مثل المياه العكرة، أو أوراق الشجر الكثيفة، أو حول الزوايا. [ 10 ] [ 12 ] تُنتج أشعة بيسل أنماطًا دائرية متحدة المركز. عندما يُحجب الشعاع أو يُحجب على طول مساره، يتشكل النمط الأصلي في النهاية لتكوين صورة واضحة. [ 13 ]

التصوير بمستويات إضاءة منخفضة للغاية

تُوفّر عملية التحويل البارامتري التلقائي (SPDC) مصدرًا مناسبًا لأزواج الفوتونات المتشابكة ذات الارتباطات المكانية القوية. [ 14 ] يُمكن استخدام هذه الفوتونات المفردة المُعلنة لتحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية ، مما يُزيل فعليًا ضوضاء الخلفية من الصور المُسجلة. بتطبيق مبادئ ضغط الصور وإعادة بنائها، يُمكن تكوين صور عالية الجودة للأجسام من البيانات الأولية بمتوسط ​​أقل من فوتون واحد مُكتشف لكل بكسل في الصورة. [ 15 ]

المجهر ذو الفوتونات القليلة باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء

لا تتوفر بسهولة كاميرات الأشعة تحت الحمراء التي تجمع بين انخفاض التشويش وحساسية الفوتون الواحد. يمكن دمج إضاءة هدف حساس بالأشعة تحت الحمراء باستخدام عدد قليل من الفوتونات مع كاميرا تحسب الفوتونات المرئية من خلال التصوير الطيفي باستخدام فوتونات مترابطة ذات أطوال موجية مختلفة بشكل ملحوظ، يتم توليدها بواسطة عملية تحويل تلقائي للفوتونات غير متدهورة للغاية . تُضيء فوتونات الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1550  نانومتر الهدف، ويتم الكشف عنها بواسطة ثنائي انهياري أحادي الفوتون من نوع InGaAs/InP . تُسجل بيانات الصورة من الفوتونات المرئية المتزامنة والمترابطة مكانيًا ذات الطول الموجي 460  نانومتر باستخدام كاميرا عالية الكفاءة ومنخفضة التشويش لحساب الفوتونات. وبذلك، يمكن تصوير العينات البيولوجية الحساسة للضوء. [ 16 ]

الاستشعار عن بعد

يُدرس استخدام التصوير الطيفي في أنظمة الاستشعار عن بُعد كبديل محتمل لرادارات الليزر التصويرية ( ليدار ). وقد حددت مقارنة نظرية للأداء بين جهاز تصوير طيفي نبضي حاسوبي ورادار ليزر تصويري نبضي بإضاءة كاشفة سيناريوهات يتفوق فيها نظام التصوير الطيفي العاكس. [ 17 ]

التصوير بالأشعة السينية والتصوير الإلكتروني الشبح

تم إثبات فعالية التصوير الطيفي في تطبيقات متنوعة لعلوم الفوتونات. وقد أُجريت مؤخرًا تجربة تصوير طيفي للأشعة السينية الصلبة باستخدام بيانات تم الحصول عليها في السنكروترون الأوروبي. [ 18 ] في هذه التجربة، استُخدمت نبضات الأشعة السينية المنقطة من حزم الإلكترونات السنكروترونية الفردية لتوليد أساس للصورة الطيفية، مما أتاح إثبات مفهوم التصوير الطيفي التجريبي للأشعة السينية. بالتزامن مع نشر هذه التجربة، نُشرت نسخة معدلة من التصوير الطيفي للأشعة السينية في فضاء فورييه . [ 19 ] كما اقتُرح استخدام التصوير الطيفي لتطبيقات ليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية. [ 20 ] وقد تم أيضًا إثبات فعالية التصوير الطيفي التقليدي باستخدام الاستشعار المضغوط مع الإلكترونات فائقة النسبية . [ 21 ]

مراجع

  1. ↑ سيمون، ديفيد س.؛ جاغر، غريغ؛ سيرجينكو، ألكسندر ف. (2017). "الفصل 6 - التصوير الطيفي والمواضيع ذات الصلة". القياس الكمي، والتصوير، والاتصالات . ص 131-158 . doi : 10.1007/978-3-319-46551-7_6 . ISSN 2364-9054 .  
  2. ↑ إركمن، باريس آي؛ شابيرو، جيفري إتش. (2008). "نظرية موحدة للتصوير الطيفي باستخدام ضوء الحالة الغاوسية". مجلة Physical Review A. 77 ( 4) 043809. arXiv : 0712.3554 . Bibcode : 2008PhRvA..77d3809E . doi : 10.1103/PhysRevA.77.043809 . ISSN 1050-2947 . S2CID 37972784 .  
  3. ↑ بيتمان، تي بي؛ شيه، واي إتش؛ ستريكالوف، دي في؛ سيرجينكو، إيه في (1 نوفمبر 1995). "التصوير البصري باستخدام التشابك الكمي ثنائي الفوتون" . مجلة Physical Review A. 52 ( 5): R3429– R3432. Bibcode : 1995PhRvA..52.3429P . doi : 10.1103/PhysRevA.52.R3429 . ISSN 1050-2947 . PMID 9912767 .  
  4. ↑ غاتي، أ.؛ برامبيلا، إ.؛ باش، م.؛ لوجياتو، ل.أ. (26 أغسطس/آب 2004). "التصوير الطيفي باستخدام الضوء الحراري: مقارنة التشابك والترابط الكلاسيكي" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 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. ↑ برومبيرغ، يارون؛ كاتز، أوري؛ سيلبربيرغ، يارون (2009). "التصوير الطيفي باستخدام كاشف واحد". مجلة 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 شابيرو، جيفري هـ. (2008). "التصوير الطيفي الحاسوبي". مجلة Physical Review A. 78 ( 6) 061802. arXiv : 0807.2614 . Bibcode : 2008PhRvA..78f1802S . doi : 10.1103/PhysRevA.78.061802 . ISSN 1050-2947 . S2CID 10576835 .  
  7. ↑ كاتز، أوري؛ برومبيرغ، يارون؛ سيلبربيرغ، يارون (2009). "التصوير الطيفي المضغوط". رسائل الفيزياء التطبيقية . 95 (13): 131110. arXiv : 0905.0321 . Bibcode : 2009ApPhL..95m1110K . doi : 10.1063/1.3238296 . ISSN 0003-6951 . S2CID 118516184 .  
  8. ↑ "تقنية التصوير الشبحية من مختبر أبحاث الدفاع تخترق اضطرابات ساحة المعركة - أنظمة الدفاع" . أنظمة الدفاع . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 يوليو 2018 .
  9. ↑ «19 براءة اختراع لعلماء الجيش تؤدي إلى تطورات في التصوير الكمي» . www.arl.army.mil . تاريخ الاطلاع: 10 يوليو 2018 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  10. ١ ٢ «استكشاف مبدأ التصوير الشبح الافتراضي: علماء مختبر أبحاث الجيش يثبتون أن الضوء يمكن أن يصل إلى الهدف عبر المواد المعتمة» . www.arl.army.mil . مؤرشف من الأصل في ١٣ ديسمبر ٢٠١٦. تم الاطلاع عليه في ١٠ يوليو ٢٠١٨ .
  11. ↑ ريان س. بينينك؛ شون ج. بنتلي؛ روبرت و. بويد (2002). ""التصوير المتزامن ثنائي الفوتون مع مصدر كلاسيكي". مجلة Physical Review Letters . 89 (11) 113601. Bibcode : 2002PhRvL..89k3601B . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.113601 . PMID 12225140 . 
  12. ↑ "السلاح السري للجيش هو هذا الفيزيائي الكمي، رائد "التصوير الشبح""" . فاست كومباني . 7 مايو 2013. تم الاطلاع عليه في 10 يوليو 2018. "
  13. ↑ "التصوير الطيفي الافتراضي: تقنية جديدة تُمكّن من التصوير حتى في ظل ظروف بالغة الصعوبة" . ساينس ديلي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 يوليو 2018 .
  14. ↑ والبورن، إس. بي.؛ مونكن، سي. إتش.؛ بادوا، إس.؛ سوتو ريبيرو، بي. إتش. (2010). "الارتباطات المكانية في التحويل البارامتري التنازلي". تقارير الفيزياء . 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. ↑ موريس، بيتر أ.؛ أسبدن، روبن س.؛ بيل، جيسيكا إي سي؛ بويد، روبرت و.؛ بادجيت، مايلز ج. (2015). "التصوير باستخدام عدد قليل من الفوتونات" . نيتشر كوميونيكيشنز . 6 5913. arXiv : 1408.6381 . Bibcode : 2015NatCo...6.5913M . doi : 10.1038/ ncomms6913 . ISSN 2041-1723 . PMC 4354036. PMID 25557090 .   
  16. ↑ أسبدن، روبن س.؛ جيميل، ناثان ر.؛ موريس، بيتر أ.؛ تاسكا، دانيال س.؛ ميرتنز، لينا؛ تانر، مايكل ج.؛ كيركوود، روبرت أ.؛ روجيري، أليساندرو؛ توسي، ألبرتو؛ بويد، روبرت و.؛ بولر، جيرالد س.؛ هادفيلد، روبرت هـ.؛ بادجيت، مايلز ج. (2015). "المجهر ذو الكثافة الضوئية المنخفضة: تصوير الضوء المرئي باستخدام إضاءة الأشعة تحت الحمراء" (ملف PDF) . أوبتيكا . 2 (12): 1049. Bibcode : 2015Optic...2.1049A . doi : 10.1364/OPTICA.2.001049 . ISSN 2334-2536 . 
  17. ↑ هاردي، نيكولاس د.؛ شابيرو، جيفري هـ. (2013). "التصوير الطيفي الحاسوبي مقابل رادار الليزر التصويري للتصوير ثلاثي الأبعاد". مجلة Physical Review A. 87 ( 2) 023820. arXiv : 1212.3253 . Bibcode : 2013PhRvA..87b3820H . doi : 10.1103/PhysRevA.87.023820 . ISSN 1050-2947 . S2CID 571212 .  
  18. ↑ بيليتشيا، دانييلي؛ راك، ألكسندر؛ شيل، ماريو؛ كانتيللي، فالنتينا؛ باغانين، ديفيد م. (2016). "التصوير التجريبي بالأشعة السينية الشبحية". رسائل المراجعة الفيزيائية . 117 (11) 113902. arXiv : 1605.04958 . Bibcode : 2016PhRvL.117k3902P . doi : 10.1103/ PhysRevLett.117.113902 . PMID 27661687. S2CID 206281577 .  
  19. ↑ يو، هـ.؛ لو، ر.؛ هان، س.؛ شي، هـ.؛ دو، ج.؛ شياو، ت.؛ تشو، د. (2016). "التصوير الطيفي بتحويل فورييه باستخدام الأشعة السينية الصلبة". رسائل المراجعة الفيزيائية . 117 (11) 113901. arXiv : 1603.04388 . Bibcode : 2016PhRvL.117k3901Y . doi : 10.1103/ PhysRevLett.117.113901 . PMID 27661686. S2CID 11073798 .  
  20. ↑ راتنر، د.؛ كريان، ج.ب.؛ لين، ت.ج.؛ لي، س.؛ ستوباكوف، ج. (2019). "التصوير الطيفي بتقنية الضخ والاستشعار باستخدام ليزرات الإلكترون الحر ذاتية التضخيم" . مجلة Physical Review X. 9 ( 1) 011045. Bibcode : 2019PhRvX...9a1045R . doi : 10.1103/PhysRevX.9.011045 .
  21. ↑Li, S.; Cropp, F.; Kabra, K.; Lane, T.J.; Wetzstein, G.; Musumeci, P.; Ratner, D. (2018). "Electron Ghost Imaging". Physical Review Letters. 121 (11) 114801. Bibcode:2018PhRvL.121k4801L. doi:10.1103/PhysRevLett.121.114801. PMID 30265113.
  • Quantum camera snaps objects it cannot 'see' by Belle Dume, New Scientist, 2 May 2008. Accessed July 2008
  • Air Force Demonstrates 'Ghost Imaging' By Sharon Weinberger, Wired, 3 June 2008. Accessed July 2008
  • Army scientists' 19 patents lead to quantum imaging advances Army Research Laboratory News DECEMBER 19, 2013. Accessed Feb 2014