מערכות הדמיה אופטיות הן כלים יסודיים במדע וטכנולוגיה, המספקות את היכולת לדמיין אובייקטים בקנה מידה החל ננומטרים ועד שנות אור.בין התופעות הפיזיות הרבות ששולטות היווצרות תמונה, FLT:0coherenceFLT:1 בולט כפרמטר קריטי המשפיע ישירות על פתרון, ניגודיות, סוגי המידע שניתן להפיק מדגימה.

הבנה של קוהרנטיות במערכות אופטיות

(ב) אופטיקה פיזית, קוהרנטיות היא מדד של איך שלב גל אור מתואם עם עצמו בנקודות שונות בחלל ובזמן. גל קוהרנטי מושלם - כמו קרן לייזר אידיאלי - יש מערכת יחסים קבועה בין כל גל הקדמי שלה לאורך זמן רב מרווחים (בהשוואה, אור ממקור תרמי, כגון קפסולת לייזר, יש שלב אקראית: רוחב 3) בין שני קטיפה (מפרק) בין שני ליטרים (מפרקים) ושפל).

הבנה של קוהרנטיות היא חיונית כי מערכות הדמיה מסתמכות על ההתערבות קונסטרוקטיבית והרסנית של גלי אור כדי ליצור תמונה. תאורה בלתי יציבה מייצרת תמונות שבו סכומי אינטנסיביות מוסיפים לינארית, בעוד תאורה קוהרנטית מציגה הפרעה רגישה בשלב שיכולה לשפר או לזלזל איכות תמונה בהתאם ליישום.החוק ואן סיטרט-זניק מספק מסגרת מתמטית ליחסיות המרחבית של מקור אורת של עקרון הראייה האופטימי שלה, המשמש בעיצוב רחב.

המונחים: Temporal Coherence

קוהרנטיות טמפלית מתארת את יציבות השלב של גל אור לאורך זמן בנקודה מסוימת בחלל.זה קשור ישירות רוחב הפס ספקטרלי של המקור: הצר יותר רוחב הפס, ככל זמן קוהרנטיות ואורך קוהרנטיות. לדוגמה, לייזר חד-משמעי עם קו רוחב פס של 1Hz יש אורך קוהרנטיות על מנת של מאות מטרים, בעוד שלאורך LED-טווח נמוך יותר עם רוחב פס של 2 ליטרים מינימלי של קו רוחב פס של קו רוחב פס נמוך יותר של 2.

המונחים: colherence

[הכפירה החסינה את מערכת היחסים בין שתי נקודות בגל הקדמי בו זמנית.זה נקבע על ידי גודל המקור והמרחק ממקור.מקור נקודה פולט אור קוהרנטי לחלוטין, בעוד מקור מורחב מניב יישומים ספציפיים של קוהרנטיות מעשית - במערכת הדמיה, קוהרנטיות מרחבית משפיעה על חדות של הפרעות ויכולת לפתור פרטים גבוהים.

סוגי קוהרנטיות והשפעתם על אימגינציה

תואר של קוהרנטיות במערכת אופטית יכול להיות מכוון על ידי בחירת מקור האור ושליטה בגיאומטריה תאורה. סוגים שונים של מקורות להציג תכונות קוהרנטיות אופייניות:

  • (FLT:0)Lasers:FLT 1 לספק קוהרנטיות עתירית ומרחבית גבוהה, המאפשרת המדידות מדויקות של התערבות, הולוגוגרפיה ומיקרוסקופיות מוקד.עם זאת, אור לייזר לעתים קרובות מייצר פריטים ספירליים שיש לנהל באמצעות שיטות כגון רוטט מסובבים או מנטרולטורים מרחביים.
  • (FLT:0) דידות סופרוינסנט (SLDs): FLT) 1 שלב כוח פלט גבוה עם קוהרנטיות זמניות נמוכה ( רוחב פס רחב) ו קוהרנטיות מרחבית מתונה. SLDs הם המקור המועדף עבור OCT כי הם מציעים החלטה אקסקליאלית גבוהה תוך שמירה על אינטנסיביות מספקת עבור הדמיה עמוקה.
  • (FLT:0) אור-המיטה של דידות (LEDsib): FLT:1 להציג קוהרנטיות נמוכה ומרחבית אלא אם כן יחד עם aperture קטן. LEDs משמשים נרחב במיקרוסקופים בהירים ופלואוסטרינג כי הם עלות-יעילות, ארוך-זמן, ומייצרים שטף לא-סביר.
  • (FLT:0Synchrotron קרינה לייזרים ללא תשלום:FLT:1 לספק הרבה מאוד גדול גירוד וחלקי קוהרנטיות, המאפשר הדמיה רנטגן-ריבית של ננו מבנים עם פתרון מעבר למגבלת ההיקף של עדשות קונבנציונליות.
  • מקורות רבי עקיבא (אינכרון, מנורות קשת): FLT:1 יש קוהרנטיות נמוכה מאוד, מתאים להארה כללית אבל במידה רבה לא מתאים לתדמיה מבוססת הפרעה.

הבחירה של משטר קוהרנטיות באופן ישיר מכתיבים אילו שיטות הדמיה הן אפשריות.לדוגמה, אינטרפרומטריה דורשת לפחות קוהרנטיות חלקית, בעוד ההולוגוגרפיה דורשת גם קוהרנטיות עתירית ומרחבית גבוהה.הבנתם של אלה הוא מרכזי לתכנון מערכות אופטיות עבור משימות מדעיות או תעשייתיות ספציפיות.

כיצד קוהרנטיות מגבירה את ביצועי ה-Iaging

קוהרנטיות אינה רק נכס שיש לסבול - ניתן למנף באופן פעיל כדי להשיג יכולות הדמיה שאינן אפשריות עם אור בלתי-מעורר.המנגנונים העיקריים שבאמצעותם קוהרנטיות משפרת את ההדמיה האופטית כוללים:

פתרון משופר באמצעות Interference

ב-Coherent הדמיה מערכות, רזולוציה אינה מוגבלת רק על ידי הצמצם המספרי של המטרה. Interference בין השדה מפוזר של האובייקט ושדה ההתייחסות יכול לקוד מידע באורך משנה גלי.טכניקות כמו מיקרוסקופיקה קוהרנטית ומיקרוסקופית בין-מטרומטרית למיקרוסקופים סינתטיים להשיג פתרון מאוחר יותר מעבר למגבלת האבבה הקלאסית על ידי ניצול השלב האנתרופולוגי של אור קוהרנטי, אשר מאפשר הדמיה של 1-Factometric-זמנית:

ניגודיות לאובייקטים של Weakly Scattering Objects

דוגמאות ביולוגיות רבות הן שקיפות אופטית ומספקות ניגודים מעטות תחת תאורה בלתי-צפונית.אור קוהרנטי, באמצעות שיטות ניגודיות וניגודיות שונות, ממירות שלב לתוך וריאציות אינטנסיביות. inFLT:0Zernike שלב ניגודיות microscopyFLT:1, מקור משותף מאיר את הדגימה, ושלב אובייקטיבי של שינויים קשים אלה עם תאים קלים פחות.

מדדי רגישות גבוהה (interferometric Measurements)

גילוי קוהרנטי מאפשר מדידות של שינויים אופטיים באורך נתיב קטן כמו שבריר של אורכי גל.זה הבסיס של אינטרפרומטריה אופטית, אשר מוצא יישומים ב profilometry משטח, ניתוח זנים, וגילוי גלי כבידה.אורך קוהרנטיות של המקור קובע את ההבדל המרבי ניתן למדידה; מקור קוהרנטי מאוד כמו לייזר מייצב יכול למדוד שינויים מעל עשרות מטרים עם רגישות.

סעיף ריבוע וטוםוגרפיה

תת-קרקעית נמוכה, כפי שנעשה ב- OCT, משיגה רזולוציה צירית ביחס לאורכו של קוהרנטיות של המקור.על ידי שימוש באור פס רחב עם אורך קוהרנטיות קצר (בדרך כלל 1-15 מיקרומטר), OCT יכול לצלם מבנים תת-קרקעיים ברקמות ביולוגיות עם רזולוציה גבוהה ועומק מינימלי.

עידוד אימגינציה עם טכניקות מתקדמות

מעבר להתערבות בסיסית, כמה שיטות הדמיה מתוחכמות מסתמכות ישירות על שליטה ומדידה של תכונות קוהרנטיות:

הולוגוגרפיה הדיגיטלית

הולוגוגרפיה הדיגיטלית מתעדת את דפוס ההתערבות בין קרן אובייקט קוהרנטי לבין קרן ההתייחסות על חיישן דיגיטלי.מבנה נומררי של ההולוגרמה מניב גם אמפליטודה ומידע שלב של האובייקט גלfront.זה מאפשר לשלב הבא (FLT:0quאנטיtative Phase FLT:1, עם יישומים בביולוגיה תא (למשל, מסהיבשה ודינמיקה חיה) ובדיקה של דיוק לא מספיקים.

דיסמציה נפוצה (CDI)

הדמיה של דיפרנציית קוהרנטי היא טכניקה חסרת עדשות שמשחזרת את הדימוי של האובייקט מתבנית דיפרקציה רחוק של השדה הרחוק שלה.השיטה דורשת קרן רנטגן או קרן אלקטרונים, שכן המידע בשלב הוא אבוד במדידת האינטנסיביות וחייב להיות התאושש אותו באופן גמיש באמצעות מגבלות oversampling. CDI השיג החלטות מתחת 10 nm לחומרים ביולוגיים ודגימות, על פני מגבלות לייזר סטנדרטיות (xI) עם מגבלות מהירות גבוהה יותר (x-D) מאפשרות וירוסים).

אחריות חלקית ב-Comutational Imaging

לא כל הדמיה מתקדמת דורש קוהרנטיות מלאה.טכניקות כגון Fourier ptychography (FP) להשתמש מערך LED נעים כדי להאיר את הדגימה באופן שווה מזוויות שונות תחת אור קוהרנטי חלקית. כל תמונה ברזולוציה נמוכה ללכוד אזור אחר של חלל Fourier, וסינתזה חישובית מניבה תמונה גבוהה, רחבת היקף.

יישומים של Coherence-Enhanced Imaging in Physical Optics

מניפולציה של קוהרנטיות יצרה מגוון רחב של יישומים בתחומים:

  • (FLT:0) קוהרנטיות הפוטומטרית (OCTOVA): 1 1 לא פולשני, הדמיה ברזולוציה גבוהה של רקמות ביולוגיות, במיוחד באופטימיות עבור הדמיה חוזרת וקליולוגיה עבור הערכת עורקים כלילית.מערכות OCT מודרניות להשיג עומק הדמיה של 1–2 מ"מ עם החלטה צירית של כמה מיקרומטרים, הודות למקורות רחבים של פס נמוך.
  • (FLT:0 interferometric Microscopy:FreaLT:1 טכניקות כמו interferometry ו- אור לבן-אור אינטרפרומטריה מודדות את הטופוגרפיה עם דיוק תת-מטר. coherence gating מבטל השתקפות של משטחים לא רצויים, המאפשרת פרופיל מדויק של מבנים מורכבים כגון מכשירים MEMS.
  • (FLT:0)Laser Doppler Velocimetry ו Vibrograph:FLT:1 אור לייזר קוהרנטי מפוזר חלקיקים נעים או משטחים רוטטטיביים מייצר שינויים תדירות שניתן לזהות באמצעות אינטרפרומטריה heterodyne.
  • (FLT:0) אסטרונומי אינטרפרומטריה: FLT:1 Arrays של טלסקופים בשילוב באמצעות שילוב של beam coherent להשיג פתרון זוויתי שווה לטלסקופ אחד עם קוטר שווה להפרדה הבסיסית. שימור קוהרנטיות על פני מרחקים ארוכים הוא מאתגר אבל מניב תמונות של משטחים סטרל, דיסקים, וסביבות אקסואנט.
  • (FLT:0)Metrology ו- Lithography:FreaLT:1 , קוהרנטי לייזר interferometers הם עמוד השדרה של סטנדרטים אורך דיוק, בעוד תאורה חלקית ברזולוציה photolithography ותהליך latitude. Extremeviolet (EUV) ליתוגרפיה משתמשת במקורות קוהרנטיים חלקית כדי להדפיס תכונות בקנה מידה על סיליקון.
  • (FLT:0)Quantum Imaging:FLT:1 Entangled photon זוגות שנוצרו באמצעות פרמטרי ספונטנית ירידה-conversion להפגין התאמות קוונטיות בתורה המאפשרת הדמיה תת-shot-noise, הדמיה רוח רפאים, ו קוונטית קוהרנטיות אופטית לmography.טכניקות אלה לנצל את התכונות הלא קלאסיות של קוהרנטיות להתעלות על גבולות קלאסיים ברגישות ופתרון.

אתגרים ומגבלות של אימגינציה קוהרנטית

למרות היתרונות שלה, קוהרנטיות בדמייתות גם מציגה כמה אתגרים מעשיים:

  • (FLT:0)Speckle Noise:FLT:1 High מרחבי coherence מוביל לדפוסי התערבות אקראיים כאשר אור מפוזר משטחים. Speckle degrades תמונה איכות בתצוגות מבוססות לייזר, microscopy ומערכות הקרנה. אסטרטגיות מייגציה כוללים רקט משתמשים, temporal averating, ו- חישובי despeckling.
  • (FLT:0) קוהרנטיות ארטifacts: 1) בדמיית מוגבלת דיפרקציה, תאורה קוהרנטית יכולה לייצר פריטים מתפתלים (תופעה של גלב) והפרעות מרובות-באם משטחים מקבילים (Fabry-Pérot etaloning).
  • (FLT:0Sרגישות להפרעות סביבתיות:FreaLT:1) קוהרנטיות גבוהה הופכת את ההפרעה לתנודות, לסחף טמפרטורה ולזרמים אוויריים. ייצוב משוב פעיל ועיצובים בין-אופטימיים נפוצים הם לעתים קרובות הכרחיים למדידות אמינות.
  • (ב) ⁇ :0) , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) מורכבות חישובית: FLT:1 טכניקות רבות מבוססות קוהרנטיות, כגון CDI ו- Fourier ptychography, מסתמכות על אלגוריתמים שלב גלגולי-החדשה אשר הם אינטנסיביים מבחינה חישובית ואינם יכולים לתכנס לכל סוגי הדגימה.התקדמות בלמידה עמוקה מתחילה להאיץ ולחזק את השחזורים אלה.

כיוונים עתידיים ב-Coherence-Enhanced Imaging

מחקר ופיתוח בדמיית ההדמיה הנשלטת על ידי קוהרנטיות ממשיכים לדחוף גבולות:

  • (FLT:0) בקרת קוהרנטיות המחודשת: FIRLT:1 ; מודולים קלים ספוטאליים ומראות מפוזרים יכולים להתאים באופן דינמי את קוהרנטיות המרחבית של תאורה בזמן אמת.זה מאפשר מערכות הדמיה לעבור בין מצבים קוהרנטיים ו incoherent או כדי לכוון את מידת ההגינות למזער פריטים תוך שמירה על שלב.
  • (FLT:0)Ultrafast coherent Imaging:BuildFLT:1 ; מקורות לייזר חד-צדדיים ו Atto השני לספק קוהרנטיות זמניות קיצוניות, המאפשר הדמיה של משאבה-פרובי של תהליכים אולטרה-ארוכים בחומרים ותגובות כימיות.טכניות כמו מיקרו-סקופית קוהרנטיבית Ramanscopy משלבת דופקים קצרים עם זיהוי קצר-שלב רגיש לתנודתי עם רטטים מולקולריים עם נטייה גבוהה עם נטייה כימית.
  • (FLT:0) X-ray ואלקטרון קוהרנטי Imaging:FLT ( 1:1 מקורות הדור הבא של X-ray, כולל טבעות אחסון מוגבלות ו XFELs, מציעים קוהרנטיות חסרת תקדים.המתקן הזה מאפשר הדמיה חסרת עדשות של nanostructures ומאקרומולקולטים בודדים, פוטנציאל להגיע לרזולוציה דומה של 1m אלקטרונופטי, כגון שידור אלקטרונים משופרים, מיתרונות מיקרוסקופיים משופרים.
  • (FLT:0)Quantum Coherence Sensing:BuildFLT:1 , Nitrogen-vacancy (NV) מרכזי ביהלומים יכולים לחוש שדות מגנטיים וטמפרטורה עם דיוק מוגבל קוונטי.הקוהרנטיות של המדינה הספין-מרכז של NV היא קריטית לאבחון גבוה, וטכניקה מתמשכת זו מרחיבה את הדמיה של מערכות ביולוגיות וחומריות.
  • (FLT:0) משולב קוהרנטי אופטיקה:FLT:1 על שבבים פוטוניים עם גל יורד נמוך לייזרים משולבים מאפשרים בין-מטרים מיניים ומערכות OCT. סיליקון photonics מבטיח עבור זולת עלות נמוכה, מכשירים הדמיה ניידת מבוססי קוהרנטיות עבור אבחון נקודה של טיפול.
  • (FLT:0)Machine Learning for Coherence Engineering: ניב 1) רשתות נילי ניתן לאמן לחזות פרמטרים קוהרנטיות אופטימליים עבור משימה הדמיה נתונה, תוך הפעלת ההחלפה בין החלטה, ניגודיות ורעש. Deep Learning גם משפר את שלב retrieval, denoising ו- Superresolution בצנרת הדמיה קוהרנטית.

מסקנה

קוהרנטיות היא נכס רב פנים של אור כי ביסודו מעצב את היכולות של מערכות הדמיה אופטית.ממנה קוהרנטיות של לייזרים המאפשרים אינטרפרומטריה להיקף המרחבי הנמוך של נוריות המפחיתות את ספירה, בין coherence ואפקט הדמיה מבטיח רק מרכזי אופטיקה פיזית מודרנית.

(ב) לקריאה נוספת על הפיזיקה הבסיסית ועל יישומים מעשיים, ראה את הכנס של ה-FLT:0 (פיזיקה) מאמר על ויקיפדיה FLT:1, TheFLT:2 PhotoRPnics Encyclopedia על coherenceFLT 3, וסקירה של שיטות הדמיה חלקיות ב-iomedical sFLT:5 (openal) ניתן למצוא את הפרטים הטכניים של 4Fertyimages על ידי מערכת ההפעלה הפרטית של 4Fertyimages: 7.