Mid-infrared Fourier ptychographic upconversion imaging

ملخص تقني: التصوير بالتحويل الترددي عبر فوتوغرافيا فورييه في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

بيان المشكلة
يعد التصوير بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) أمراً بالغ الأهمية لتطبيقات تتراوح من الفحص الصناعي إلى التشخيص الطبي الحيوي، نظراً لقدرتها على كشف الخصائص الحرارية والجزيئية. ومع ذلك، لا يزال تحقيق تصوير عالي الدقة وواسع المجال في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة عند درجة حرارة الغرفة يمثل تحدياً كبيراً. تعاني مصفوفات المستوى البؤري التقليدية من الضوضاء الحرارية وتيار الظلام، بينما تفتقر المستشعرات الناشئة غالباً إلى حساسية الفوتون الواحد أو عدد كبير من البكسلات. يوفر التحويل الترددي (Frequency upconversion) حلاً عبر تحويل إشارات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى أطوال موجية مرئية أو قريبة من الأشعة تحت الحمراء، ليتم اكتشافها بواسطة مستشعرات ناضجة. ومع ذلك، فإن الدقة المكانية لأنظمة تصوير التحويل الترددي الحالية مقيدة بشدة بسبب الفتحة العرضية المحدودة للبلورات غير الخطية المستخدمة في المستوى الفورييه. فالبلورات ذات الاستقطاب الدوري، الضرورية لعملية مطابقة الطور شبه المنتظمة (QPM) عالية الكفاءة، تكون عادةً محدودة بسمك ميليمتر واحد للحفاظ على تجانس النطاقات، مما يخلق نطاق تمرير ضيق يعمل كمرشح تمرير منخفض ويؤدي إلى تشويش الصورة. إن تصنيع بلورات ذات فتحة كبيرة أمر صعب بسبب متطلبات الاستقطاب ذات الجهد العالي واندماج النطاقات، كما أن الطرق الحالية لزيادة الدقة غالباً ما تضحي بمجال الرؤية (FOV) أو تتطلب تجهيزات تداخلية معقدة.

المنهجية
يقترح المؤلفون نظام تصوير فوتوغرافي فورييري غير خطي يجمع بين الضخ الإهليلجي وتخليق الفتحة الحسابية للتغلب على قيود الفتحة الفيزيائية للبلورة غير الخطية.

• الضخ الإهليلجي: بدلاً من مضخة غاوسية قياسية، يستخدم النظام شعاع ضخ إهليلجي هندسي. تم تصميم هذا الشكل ليتناسب مع المقطع العرضي العريض والضيق لبلورة نيوبات الليثيوم ذات الاستقطاب المتغير (CPLN) (سمك 1 مم × عرض 3 مم). يسمح هذا التكوين للنظام بالتقاط مكونات التردد المكاني العالية على طول المحور الأكبر للإهليلج، مما يستفيد بفعالية من عرض البلورة بدلاً من سمكها.
• فوتوغرافيا فورييه (Fourier Ptychography): لاستعادة الدقة في الاتجاه المتعامد وتخليق فتحة أكبر فعالة، يقوم النظام بإجراء أخذ عينات دوراني. يتم تدوير الجسم بزوايا محددة، مما يؤدي بدوره إلى تدوير نطاق التمرير الإهليلجي في فضاء فورييه. ينتج عن ذلك سلسلة من صور التحويل الترددي منخفضة الدقة، كل منها يلتقط معلومات ترددية عالية مختلفة.
• إعادة البناء الحسابي: تُستخدم خوارزمية إسقاط متبادل تكرارية لاستعادة صورة عالية الدقة وواسعة المجال حسابياً. تقوم هذه العملية بدمج سلسلة الأنماط الشديدة الملتقطة، مما يؤدي إلى تخليق فتحة كبيرة فعالة دون الحاجة إلى قياسات الطور أو حزم مرجعية، وبالتالي تجنب تعقيد التداخل.
• التجهيز التجريبي: يستخدم النظام تكوين 4f مع بلورة CPLN في المستوى الفورييري. ويستخدم ليزرات نبضية متزامنة زمنياً (مضخة 1030 نانومتر وإشارة 3070 نانومتر) لتحفيز توليد التردد المجموع (SFG). يتم اكتشاف الإشارة المحولة ترددياً (771 نانومتر) بواسطة كاميرا EMCCD سيليكونية. يتضمن الإعداد مشتتاً دواراً للإضاءة غير المتماسكة وخط تأخير لتحسين التداخل الزمني من أجل تحويل فعال.

المساهمات الرئيسية

• نموذج تصوير مبتكر: يوسع هذا العمل نطاق فوتوغرافيا فورييه إلى مجال التحويل الترددي غير الخطي، معالجاً العقبة المحددة المتمثلة في محدودية فتحات البلورات في تصوير الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.
• استراتيجية الضخ الإهليلجي: إن إدخال شعاع ضخ إهليلجي مصمم خصيصاً ليتناسب مع نسبة عرض البلورة يتيح الحصول على الترددات المكانية العالية التي كان سيتم تصفيتها لولا ذلك بسبب سمك البلورة.
• تخليق الفتحة الحسابية: من خلال تدوير نطاق التمرير الإهليلجي وتطبيق خوارزميات استرجاع الطور، ينجح النظام في إعادة بناء صورة بدقة عالية وفتحة عددية فعالة موسعة بشكل كبير.
• حساسية الفوتون الواحد: يحافظ النظام على قدرات كشف فائقة الحساسية، حيث يعمل بفعالية تحت ظروف إضاءة منخفضة تصل إلى 1 فوتون/نبضة/بكسل، مستفيداً من كفاءة التحويل العالية للضخ النبضي المتزامن وعد الفوتونات منخفض الضجيج.

النتائج التجريبية

• الدقة ومجال الرؤية: حقق النظام دقة مكانية قدرها 39 ميكرومتر ضمن مجال رؤية يبلغ حوالي 25 ملم.
• حاصل الضرب النطاقي-المكاني (SBP): أدى الجمع بين الدقة العالية ومجال الرؤية الواسع إلى تحقيق SBP قدره 3.2×10⁵. ويمثل هذا تحسناً بأكثر من عشرة أضعاف مقارنة بالقيم التي تم إثباتها سابقاً لتصوير الأشعة تحت الحمراء المتوسطة واسع المجال بالتحويل الترددي.
• تعزيز الدقة: أظهرت الاختبارات المقارنة باستخدام مخططات الدقة USAF وأهداف نجم سيمنز أن الضخ الإهليلجي عزز الدقة بشكل كبير على طول المحور الأكبر مقارنة بالضخ الغاوسي. كما نجح التخليق الدوراني في استعادة دقة متماثلة (isotropic) عبر كامل مجال الرؤية.
• تصوير الاختراق: نجح النظام في تصوير شعار جامعة محفور على ظهر رقاقة سيليكون بسمك 700 ميكرومتر، مما أثبت القدرة على اختراق المواد شبه الموصلة الشفافة في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.
• الأداء في الضوء المنخفض: تمت إعادة بناء صور عالية الدقة بنجاح من بيانات تم الحصول عليها عند تدفق فوتونات يبلغ 1 فوتون/نبضة/بكسل، مما يؤكد حساسية النظام للفوتون الواحد.

الأهمية
يزعم البحث أن نموذج تصوير التحويل الترددي عبر فوتوغرافيا فورييه يوفر مساراً قابلاً للتوسع نحو تصوير الأشعة تحت الحمراء متوسطة عالية الإنتاجية مع عناصر قابلة للتمييز هائلة وحساسية الفوتون الواحد. ومن خلال تجاوز حدود الفتحة الفيزيائية للبلورات غير الخطية عبر التخليق الحسابي، تتيح هذه التقنية تصويراً عالي الدقة وواسع المجال للأشعة تحت الحمراء المتوسطة عند درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى أجهزة تداخلية معقدة. ويشير المؤلفون إلى أن هذه القدرة ذات قيمة خاصة للتطبيقات التي تتطلب تحليلاً غير مدمر، مثل مراقبة الجودة الصناعية (مثل فحص عيوب أشباه الموصلات) والتشخيص الطبي الحيوي، حيث تتطلب هذه التطبيقات حساسية عالية وتغطية واسعة للمجال في آن واحد. ويؤسس هذا العمل لقاعدة لتصوير مستقبلي متعدد الأبعاد للأشعة تحت الحمراء المتوسطة يمكن أن يدمج قدرات فرط طيفية، وطورية، وعميقة التحلل.