דימות פאזה ספירלי באינפרא‑אדום באמצעות פוטונים שלא זוהו בעזרת מודולטור אור בתחום הגל הנראה

לראות את הבלתי נראה

חומרים רבים בעלי עניין — ממערכות ביולוגיות ועד חומרים תעשייתיים — נחשפים באור אינפרא‑אדום, חלק מהספקטרום שעינינו ורוב המצלמות היומיות אינן רואות היטב. האתגר הוא שמצלמות אינפרא‑אדום רגישות הן יקרות ורועשות, בעוד שמצלמות לאור נראה זולות, בעלות רזולוציה גבוהה ונפוצות. עבודה זו ממחישה כיצד להשתמש באופטיקה קוונטית חכמה ובמעצב אור תכנותי כדי ליצור תמונות אינפרא‑אדום חדות עם הדגשת קצוות בעזרת מצלמה סטנדרטית לאור נראה, עם הפיתול המרשים שהפוטונים שזוהו מעולם לא נגעו באמת באובייקט המצולם.

אור שמסתכל בלי לגעת

הניסוי מתבסס על טכניקה שנקראת דימות עם פוטונים שלא זוהו. גביש מיוחד ממיר קרן "משאבה" אנרגטית לזוגות של פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר: אחד באורך גל נראה ופרטנר שלו באינפרא‑אדום. המערך מאפשר ליצור כל זוג בשתי מעברים שונים דרך הגביש, והנתיבים מסודרים כך שאם אין הפרעה, אין אפשרות לקבוע באיזה מעבר נוצר הזוג. חוסר ההבחנה המכוון הזה גורם לפוטונים הנראים ליצור דפוס התאבכות הרגיש מאוד למה שקורה לפרטנרים שלהם באינפרא‑אדום שלא זוהו.

משתמשים באינפרא‑אדום הנסתר כדי לצייר תמונה

כדי ליצור תמונה, החוקרים שולחים את פרטנרי האינפרא‑אדום לעבר אובייקט — כמו מוטיב בדיקה או מסכת תבנית — בעוד שמנחים את פרטנרי האור הנראה במסלול נפרד שלא פוגש את האובייקט. שינויים בקרן האינפרא‑אדום, כגון ספיגה או הזזות פאזה כשהיא עוברת דרך הדגימה, משנים בעדינות את תנאי ההתאבכות. שינויים אלה מתבטאים כוריאציות מקומיות של עוצמת האור בדפוס ההתאבכות בנראית המאוחסן על גבי מצלמה קונבנציונלית. שלא כמו "דימות רפאים", הגישה הזו אינה דורשת הקלטת התאמות בין שני הפוטונים; האפשרות בלבד ללמוד באיזה מסלול נבחר הזוג מספיקה כדי לעצב את התמונה בנראה.

מעצבים אור בצבע הלא נכון בכוונה

במיקרוסקופים מודרניים רבים יושב מכשיר שנקרא מודולטור אור מרחבי (SLM) במישור פורייה — מישור אופטי שבו פרטים שונים בתמונה מתאימים לתדרים מרחביים שונים. על ידי שינוי פאזת התדרים האלה ניתן לתכנן את פונקציית התפשטות הנקודה ולשפר קונטרסט, לתקן אברציות או להדגיש קצוות. אך מודולטורי גביש נוזלי סטנדרטיים אינם עובדים היטב באור אינפרא‑אדום תיכוני. החדשנות המרכזית כאן היא להציב SLM בתחום הגל הנראה במסלול של הפוטונים הנראים, ובכל זאת להשתמש בו כדי למנף את הופעתה של תמונת האינפרא‑אדום. מכיוון שהדפוס ההתאבכות תלוי במשותף בפאזה של שתי הקרניים, מסכת פאזה המוחלת רק על הקרן הנראית מעצבת למעשה כיצד המידע מהאובייקט באינפרא‑אדום מועבר למצלמה.

להבליט קצוות בעזרת טריק ספירלי

הצוות מדגים את הרעיון באמצעות מסנן פורייה מסוים הידוע כמסכת פאזה ספירלית, שמכניסה פאזה מתפתלת בצורה חלקה סביב נקודה מרכזית. באופטיקה קונבנציונלית, מסכה זו גורמת לכך שכל נקודה באובייקט מטושטשת לדפוס בצורת סופגנייה (דונאט) שפאזתו הפנימית מובילה להתאבכות הורסה באזורים אחידים ולהתאבכות בונה בשינויים חדים. כתוצאה מכך, אזורים חלקים נכנסים לחושך בעוד שקצוות מוארים, מה שמעניק הדגשה כיוונית לכל הכיוונים. על‑ידי הצגת דפוס ספירלי על SLM של האור הנראה, החוקרים מקבלים את אותו אפקט של הדגשת קצוות עבור אובייקט הקיים רק בקרן האינפרא‑אדום. תמונות בשדה בהיר והמקבילות המסוננות בספירל מראות שקצוות הופכים מחושך לבהיר והרקע מתפלס, וכל זה בזמן שאור האינפרא‑אדום אינו מגיע כלל ל‑SLM או למצלמה.

צעדים לעבר ראייה אינפרא‑אדומה חדה יותר

המחברים מאפיינים את הרזולוציה ושדה הראייה של המערכת שלהם, מראים התאמה קרובה בין הביצועים הנמדדים לחיזויים התיאורטיים, ודנים בסוגיות מעשיות כמו שאריות קווים והגבלת קונטרסט עקב מספר סופי של פיקסלים ב‑SLM החוצים את הקרן. הם מתארים דרכים לשפר יציבות ויעילות, למשל על‑ידי אימוץ גיאומטריית אינטרפרומטר שונה או שימוש ב‑SLM בעל פיקסלים דקים יותר. בסך הכל, הוכחת הרעיון הזו מראה שמודולטור אור תכנותי הפועל רק באור נראה יכול לשלוט באופן שבו מידע אינפרא‑אדום מומיר לתמונה נראית, מה שמאפשר תצפיות עם הדגשת קצוות של דגימות באורכי גל שבהם מצלמות ומודולטורים מתאימים נדירים. בטווח הארוך הגישה יכולה להביא טכניקות קונטרסט עוצמתיות כמו מיקרוסקופיה בשדה‑כהה ובדימות פאזה לתחום האינפרא‑אדום מבלי הצורך בגילוי ישיר של האור האינפרא‑אדום.

ציטוט: Wolley, O., Pearce, E., Mekhail, S.P. et al. Spiral phase infrared imaging with undetected photons using a visible wavelength spatial light modulator. Sci Rep 16, 14130 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43775-3

מילות מפתח: דימות קוונטי, מיקרוסקופיה אינפרא‑אדומה, מודולטור אור מרחבי, הדגשת קצוות, קונטרסט פאזה ספירלי