用量子激发相位成像方法揭示隐藏在噪声中的图像

利用强度相关性进行抗噪相位成像。资料来源：华沙大学物理系

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共同推出了一种基于光强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很强的抗扰性。

这种新的成像方法即使在光照极其微弱的情况下也能运行，可用于红外和 X 射线干涉成像以及量子和物质波干涉测量等新兴应用领域。研究成果已发表在《科学进展》（Science Advances）上。

无论是用智能手机给猫拍照，还是用先进的显微镜给细胞培养物成像，都是通过逐个像素测量光的强度（亮度）来实现的。光的特点不仅在于它的强度，还在于它的相位。有趣的是，如果能够测量光的相位延迟，透明物体也能变得可见。

弗里茨-泽尔尼克（Frits Zernike）因此获得了 1953 年的诺贝尔奖，相衬显微镜为生物医学成像带来了一场革命，因为它可以获得各种透明和光学稀薄样品的高分辨率图像。因泽尔奈克的发现而兴起的研究领域包括数字全息和定量相位成像等现代成像技术。

"华沙大学物理系量子成像实验室负责人 Radek Lapkiewicz 博士解释说："它可以对细胞培养物等活标本进行无标记定量表征，并可应用于神经生物学或癌症研究。

不过，仍有改进的余地。"例如，干涉测量法是一种标准测量方法，用于精确测量被测物体任何一点的厚度，但它只有在系统稳定、不受任何冲击或干扰的情况下才能发挥作用。华沙大学物理系博士生 Jerzy Szuniewcz 解释说："在行驶中的汽车或震动台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们决定解决这个问题，并开发出一种不受相位不稳定性影响的相位成像新方法。

回归传统

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（Leonard Mandel）和他的研究小组就已经证明，即使干扰的强度无法被检测到，相关性也能揭示干扰的存在。"Lapkiewicz 解释说："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。

在相关测量中，他们观察了成对的像素，观察它们是否同时变亮或变暗。

"我们已经证明，这种测量包含了单张照片（即强度测量）无法获得的额外信息。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，也可以进行观测。

"如果采用标准方法，人们会认为这种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，可以通过分析物体的多张独立照片来恢复，这样我们就能获得完美的干涉图，即使普通干涉因噪声而无法检测到"，Lapkiewicz 补充道。

"在我们的实验中，穿过相位物体（我们要研究的目标）的光与参考光叠加。在目标光束和参考光束之间引入随机相位延迟--这种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，与空间相关的强度-强度相关性却显示出包含相位对象完整信息的条纹图案。这项工作的第一作者 Jerzy Szuniewicz 解释说："这种强度-强度相关性不受任何时间相位噪声的影响，其变化速度慢于探测器的速度（在所进行的实验中约为 10 纳秒），并且可以通过在任意长的时间段内积累数据来进行测量--这就改变了游戏规则--更长的测量时间意味着更多的光子，也就意味着更高的精度。

简单地说，如果我们只记录一帧胶片，那么这一帧胶片就无法为我们提供关于被研究物体外观的有用信息。"因此，我们首先用照相机记录下一系列这样的画面，然后将每一帧中每一对点的测量值相乘。我们求出这些相关系数的平均值，然后记录下物体的完整图像，"Szuniewicz 解释说。

"从一系列图像中恢复被观测物体的相位轮廓有很多可能的方法。但是，我们证明，我们的方法基于强度-强度相关性和所谓的离轴全息技术，能够提供最佳的重建精度"，论文的第二作者 Stanisław Kurdziałek 说。

黑暗环境中的亮点

基于强度相关性的相位成像方法可广泛应用于噪声非常大的环境。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："我们可以在光照不足或无法使用高强度光照以免损坏物体（例如脆弱的生物样本或艺术品）的情况下使用这种方法。

"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领域，"Lapkiewicz 总结道。