通过量子启发的相位成像方法揭示隐藏在噪声中的图像

具有强度相关性的抗噪声相位成像。图片来源：华沙大学物理学院

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一起介绍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。

这种新的成像方法即使在极其昏暗的照明下也能工作，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。研究结果已发表在《科学进展》上。

无论您是用智能手机拍摄猫的照片，还是使用先进的显微镜对细胞培养物进行成像，您都可以通过逐个像素测量光的强度（亮度）来实现。光的特征不仅在于其强度，还在于其相位。有趣的是，如果你能够测量透明物体引入的光的相位延迟，它们就会变得可见。

1953年，弗里茨·泽尼克（Frits Zernike）获得了诺贝尔奖，由于有可能获得各种透明和光学薄样品的高分辨率图像，因此为生物医学成像带来了一场革命。Zernike的发现产生的研究领域包括现代成像技术，如数字全息术和定量相位成像。

“它能够对活体标本（如细胞培养物）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，”华沙大学物理学院量子成像实验室主任Radek Lapkiewicz博士解释说。

但是，仍有改进的余地。“例如，干涉测量法是一种标准测量方法，用于在被检查物体的任何点进行精确的厚度测量，只有在系统稳定且不受任何冲击或干扰时才起作用。例如，在移动的汽车或摇晃的桌子上进行这样的测试是非常具有挑战性的，“华沙大学物理学院的博士生Jerzy Szuniewcz解释说。

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，并开发一种新的相位成像方法，该方法不受相位不稳定的影响。

回到老学校

研究人员是如何想出这项新技术的想法的？早在 1960 年代，伦纳德·曼德尔 （Leonard Mandel） 和他的团队就证明，即使干扰的强度无法检测到，相关性也可以揭示它的存在。“受曼德尔经典实验的启发，我们想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，他们观察了成对的像素，并观察它们是否同时变得更亮或更暗。

“我们已经证明，这种测量包含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，即使标准干涉图平均丢失了所有相位信息，并且在强度中没有记录条纹，也可以进行观察。

“使用标准方法，人们会认为这样的图像中没有有用的信息。然而，事实证明，这些信息隐藏在相关性中，可以通过分析物体的多张独立照片来恢复，从而使我们能够获得完美的干涉图，即使由于噪声而无法检测到普通干扰，“Lapkiewicz补充道。

“在我们的实验中，通过相位物体（我们想要研究的目标）的光与参考光叠加在一起。在物体和参考光束之间引入了随机相位延迟，该相位延迟模拟了阻碍标准相位成像方法的干扰。因此，在测量强度时不会观察到干扰，也就是说，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，其中包含有关相位对象的完整信息。这种强度-强度相关性不受任何时间相位噪声的影响，其变化速度比探测器的速度慢（在执行的实验中为~10纳秒），并且可以通过在任意长的时间段内累积数据来测量 - 这是一个游戏规则改变者 - 更长的测量意味着更多的光子，这意味着更高的精度，“Jerzy Szuniewicz解释道， 作品的第一作者。

简单地说，如果我们要记录一个胶片帧，那么这个单帧不会给我们任何关于被研究对象是什么样子的有用信息。“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。我们对这些相关性进行了平均，并记录了我们物体的完整图像，“Szuniewicz解释道。

“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分布。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。

黑暗环境的好主意

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

“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，”Lapkiewicz总结道。

更多信息：Jerzy Szuniewicz 等人，具有强度相关性的抗噪相位成像，《科学进展》（2023 年）。DOI： 10.1126/sciadv.adh5396

期刊信息： Science Advances

来自：量子梦