用量子激发相位成像方法揭示隐藏在噪声中的图像

　　华沙大学物理系的研究人员与来自斯坦福大学和俄克拉荷马州立大学的同事们推出了一种基于光强度相关测量的量子启发相位成像方法，该方法对相位噪声具有鲁棒性。

　　这种新的成像方法可以在非常昏暗的照明下工作，并且可以在红外和x射线干涉成像以及量子和物质波干涉测量等新兴应用中证明是有用的。这项研究的结果发表在《科学进展》杂志上。

　　无论你是用智能手机给猫拍照，还是用先进的显微镜给细胞培养成像，你都是通过一个像素一个像素地测量光的强度(亮度)来完成的。光的特点不仅在于它的强度，而且在于它的相位。有趣的是，如果你能够测量透明物体所引入的光的相位延迟，它就能变得可见。

　　1953年弗里茨·泽尼克(Frits Zernike)获得诺贝尔奖的相衬显微镜技术，由于可以获得各种透明和光学薄的样品的高分辨率图像，给生物医学成像带来了一场革命。从泽尼克的发现中出现的研究领域包括现代成像技术，如数字全息和定量相位成像。

　　华沙大学物理系量子成像实验室负责人Radek Lapkiewicz博士解释说:“它可以对活标本进行无标记和定量表征，例如细胞培养，并可以在神经生物学或癌症研究中找到应用。”

　　然而，仍有改进的余地。“例如，干涉测量法是一种标准的测量方法，可以在被测物体的任何一点进行精确的厚度测量，只有在系统稳定，不受任何冲击或干扰的情况下才有效。华沙大学物理系的博士生Jerzy Szuniewcz解释说:“例如，在移动的汽车或震动的桌子上进行这样的测试非常具有挑战性。”

　　华沙大学物理系的研究人员与斯坦福大学和俄克拉荷马州立大学的同事决定解决这个问题，并开发一种新的相位成像方法，该方法不受相位不稳定性的影响。

　　研究人员是如何想到这项新技术的呢?早在20世纪60年代，伦纳德·曼德尔和他的团队就已经证明，即使干扰的强度无法检测到，相关性也能揭示它的存在。Lapkiewicz解释说:“受到曼德尔经典实验的启发，我们想研究强度相关测量如何用于相位成像。”

　　在相关测量中，他们观察了成对的像素，观察它们是同时变亮还是变暗。

　　“我们已经证明，这种测量包含了使用单张照片无法获得的额外信息，即强度测量。利用这一事实，我们证明了在基于干涉的相位显微镜中，即使在标准干涉图平均掉掉所有相位信息并且在强度中没有记录条纹的情况下，观察也是可能的。

　　“按照标准的方法，人们会认为这样的图像中没有有用的信息。然而，事实证明，信息隐藏在相关性中，可以通过分析一个物体的多张独立照片来恢复，从而使我们获得完美的干涉图，即使普通的干涉由于噪声而无法检测到，”Lapkiewicz补充道。

　　“在我们的实验中，穿过相位物体(我们想要研究的目标)的光与参考光叠加在一起。在目标和参考光束之间引入随机相位延迟，这种相位延迟模拟了干扰标准相位成像方法的干扰。因此，在测量强度时没有观察到干涉，即从强度测量中无法获得有关相位对象的信息。

　　“然而，空间依赖的强度-强度相关显示了包含有关相位对象的完整信息的条纹模式。这种强度-强度相关性不受任何时间相位噪声的影响，这些噪声的变化速度比探测器的速度慢(实验中约为10纳秒)，并且可以通过在任意长时间内积累数据来测量——这是一个改变游戏规则的过程——更长的测量意味着更多的光子，这意味着更高的精度，”该工作的第一作者Jerzy Szuniewicz解释说。

　　简单地说，如果我们要记录一帧电影，那一帧不会给我们提供关于被研究对象的有用信息。“因此，我们首先使用相机记录了一系列这样的帧，然后将每帧中每对点的测量值相乘。我们平均了这些相关性，并记录了我们的目标的完整图像，”Szuniewicz解释说。

　　“有许多可能的方法可以从一系列图像中恢复被观察物体的相位轮廓。然而，我们证明了基于强度-强度相关和所谓的离轴全息技术的方法提供了最佳的重建精度，”该论文的第二作者Stanis?aw Kurdzia?ek说。

　　基于强度相关的相位成像方法可以广泛应用于强噪声环境。这种新方法既适用于经典光(激光和热光)，也适用于量子光。它也可以在光子计数系统中实现，例如使用单光子雪崩二极管。Szuniewicz解释说:“我们可以在光线不足的情况下使用它，或者当我们不能使用高光强以避免损坏物体时，例如精细的生物样本或艺术品。”

　　Lapkiewicz总结道:“我们的技术将拓宽相位测量的前景，包括红外和x射线成像、量子和物质波干涉测量等新兴应用。”