通过量子启发的相位成像方法揭示隐藏在噪声中的图像

华沙大学物理学院的研究人员与斯坦福大学和俄克拉荷马州立大学的同事合作，推出了一种基于光强度相关测量的量子相位成像方法，该方法对相位噪声具有鲁棒性。

新的成像方法甚至可以在极其昏暗的照明下运行，并且在红外和 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。研究结果发表在《科学进展》杂志上。

无论您是用智能手机拍摄猫的照片还是用先进的显微镜对细胞培养物进行成像，您都是通过逐像素测量光的强度(亮度)来实现的。光的特征不仅在于其强度，还在于其相位。有趣的是，如果您能够测量透明物体引入的光的相位延迟，透明物体就可以变得可见。

Frits Zernike 凭借相差显微镜获得了 1953 年诺贝尔奖，它带来了生物医学成像领域的一场革命，因为它能够获得各种透明和光学薄样品的高分辨率图像。泽尼克的发现催生的研究领域包括数字全息术和定量相位成像等现代成像技术。

华沙大学物理学院量子成像实验室负责人 Radek Lapkiewicz 博士解释说：“它能够对细胞培养物等活体样本进行无标记和定量表征，并且可以在神经生物学或癌症研究中找到应用。”

然而，仍有改进的空间。“例如，干涉测量法是一种标准测量方法，可以在被检物体的任意点进行精确厚度测量，只有当系统稳定、不受任何冲击或干扰时才有效。进行这样的测试非常具有挑战性，因为例如，在行驶的汽车或摇床上，”华沙大学物理学院的博士生 Jerzy Szuniewcz 解释道。

华沙大学物理学院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，并开发一种不受相位不稳定影响的新相位成像方法。

回到原来的学校

研究人员是如何想出这项新技术的想法的?早在 20 世纪 60 年代，伦纳德·曼德尔 (Leonard Mandel) 和他的团队就证明，即使无法检测到干扰的强度，相关性也可以揭示其存在。“受到曼德尔经典实验的启发，我们想要研究如何将强度相关测量用于相位成像，”Lapkiewicz 解释道。

在相关性测量中，他们观察成对的像素并观察它们是否同时变亮或变暗。

“我们已经证明，此类测量包含使用单张照片无法获得的附加信息，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，即使标准干涉图平均丢失了所有相位信息并且强度中没有记录条纹。

“使用标准方法，人们会假设这样的图像中没有有用的信息。然而，事实证明，这些信息隐藏在相关性中，并且可以通过分析一个物体的多张独立照片来恢复，从而使我们能够获得完美的信息。”干涉图，即使普通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。在物体和参考光束之间引入随机相位延迟 - 这种相位延迟模拟干扰阻碍了标准相位成像方法，因此在测量强度时观察不到干扰，即无法从强度测量中获得有关相位物体的信息。

“然而，空间相关的强度-强度相关性显示了一个条纹图案，其中包含有关相位物体的完整信息。这种强度-强度相关性不受任何速度慢于探测器速度(在探测器速度中约为 10 纳秒)的时间相位噪声的影响。该研究的第一作者 Jerzy Szuniewicz 解释说：“(进行的实验)可以通过在任意长的时间内积累数据来测量——这是一个游戏规则的改变者——更长的测量意味着更多的光子，这意味着更高的精度。”

简而言之，如果我们要记录单个胶片帧，该单个帧不会为我们提供有关所研究对象的外观的任何有用信息。“因此，我们首先使用相机记录了一系列此类帧，然后将每帧中每对点的测量值相乘。我们对这些相关性进行平均，并记录了物体的完整图像，”Szuniewicz 解释道。

“有很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，我们证明了我们基于强度-强度相关性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 Stanisław Kurdziałek 说道。

针对黑暗环境的好主意

基于强度相关性的相位成像方法可广泛应用于非常嘈杂的环境中。新方法适用于经典光(激光和热)和量子光。它还可以在光子计数方式中实现，例如使用单光子雪崩二极管。“在光线不足或无法使用高光强度以免损坏物体(例如精致的生物样本或艺术品)的情况下，我们可以使用它，”Szuniewicz 解释道。

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 射线成像以及量子和物质波干涉测量等新兴应用。”