[論文レビュー] Imaging in scattering media via the second-order correlation of light field

Wenlin Gong, Pengli Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Random lasers and scattering media参考文献 2被引用数 66

ひとこと要約

本稿は、熱光を用いた2次相関イメージングが、強い多重散乱下でも高品質な像再構成を可能にすることを示している。2光子干渉を介して検出とイメージングを分離することで、特に参照路が散乱を含まない場合、従来の1次相関手法に比べて優れた像の可視性と分解能を達成している。

ABSTRACT

Imaging with the second-order correlation of two light fields is a method to image an object by two-photon interference involving a joint detection of two photons at distant space-time points. We demonstrate for the first time that an image with high quality can still be obtained in the scattering media by applying the second-order correlation of illuminating light field. The scattering effect on the visibility of images is analyzed both theoretically and experimentally. Potential applications and the methods to further improve the visibility of the images in scattering media are also discussed.

研究の動機と目的

• 2次相関イメージングが光媒地における多重散乱によって引き起こされる像の劣化を克服できるかどうかを調査すること。
• 散乱が2次相関による像再構成の可視性および品質に与える影響を分析すること。
• 従来のイメージング手法を測定路に適用することで、散乱環境下での像品質を向上させる可能性を検討すること。
• 2次相関イメージングが従来の1次相関イメージングを上回る条件、特に散乱媒地においての条件を特定すること。

提案手法

• 熱光源をビームスプリッタで2つの経路に分ける：一方を測定路（散乱媒地を通過）とし、他方を参照路（散乱なし）とする。
• 2次相関関数 $ \Delta G^{(2,2)}(x_r, x_t) $ は、1次相関関数 $ G^{(1,1)}(x_1, x_2) $ およびインパulse応答関数 $ h_t(x_2, x_t) $ と $ h_r^*(x_1, x_r) $ を用いて計算される。
• 像の可視性を定量化するために、正規化された2次相関度 $ g^{(2)}(x_1, x_2=0) $ が用いられ、$ g^{(2)} \approx 1.05 $ が有用な像品質を示す。
• 両経路に高軸分解能（6.45 × 6.45 μm）のCCDカメラを用い、強度変動を捉え、相関を介して像を再構成する。
• 理論的モデルでは、インパulse応答関数 $ h(x, x_0) = \alpha h_{in}(x, x_0) + \beta h_{sca}(x, x_0) $ を用い、$ \alpha $ と $ \beta $ は直接光と散乱光の寄与を表す。
• 像品質は、散乱厚さ $ L_1 $ に応じて $ g^{(2)}(x_r, x_t=0) $ および $ g^{(2)}(x_{t1}, x_{t2}=0) $ を分析することで評価され、可視性は散乱が増加するにつれて低下するが、依然として使用可能であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次相関イメージングは、従来の1次イメージングが失敗する散乱媒地でも高品質な像を再構成できるか？
• RQ2 測定路における多重散乱は、2次相関による像再構成の可視性および分解能にどのように影響するか？
• RQ3 散乱を含まない参照路が、2次相関イメージングにおける像品質の維持に果たす役割は何か？
• RQ4 測定路に従来のイメージング手法を適用することで、2次相関システムにおける像品質はどの程度向上できるか？
• RQ5 散乱厚さが変化する条件下で、正規化された2次相関度 $ g^{(2)} $ と像の可視性の相関関係はいかなるものか？

主な発見

• 2次相関イメージング手法は、多重散乱が顕著に1次イメージングを劣化させる状況下でも、高品質な像再構成に成功している。
• 散乱厚さ $ L_1 $ が増加するにつれて、$ g^{(2)}(x_r=0, x_t=0) $ の低下により像の可視性が低下するが、$ L_1 = 40 $ mm でも依然として1.05以上を維持しており、使用可能な像再構成が可能である。
• 両検出器が高分解能のCCDカメラである場合、測定路に強い散乱があっても、2光子干渉の頑健性により、高品質な像が得られる。
• $ L_1 \ll L_2 $ の場合、再構成像の品質は主に参照路のイメージングメカニズムに依存するが、$ L_1 \gg L_2 $ の場合、測定路の従来のイメージングシステムに依存する。
• $ g^{(2)}(x_r=0, x_t=0) $ が高く、物体面における横方向のコheren width が大きいほど、散乱媒地における像の可視性が向上する。
• 本手法は、特に参照路が散乱を含まない場合、1次相関イメージングを上回る品質で像再構成を可能にし、検出とイメージングの分離が正当化されることを実証している。