國際研究人員開發(fā)了一種具有突破性的相位成像方法，該方法具有抗相位噪聲和在昏暗光線下有效成像的特點。《科學進展》詳細介紹了這項技術(shù)，它增強了從醫(yī)學研究到藝術(shù)保存等領(lǐng)域的成像能力。(藝術(shù)家的概念。)來源:SciTechDaily.com
創(chuàng)新的量子成像技術(shù)在弱光條件下表現(xiàn)出色，為醫(yī)學成像和藝術(shù)保護提供了新的前景。
華沙大學物理系的研究人員與來自斯坦福大學和俄克拉荷馬州立大學的同事們推出了一種基于光強度相關(guān)測量的量子啟發(fā)相位成像方法，該方法對相位噪聲具有魯棒性。這種新的成像方法可以在非常昏暗的照明下工作，并且可以在紅外和x射線干涉成像以及量子和物質(zhì)波干涉測量等新興應用中證明是有用的。
Revolutio成像技術(shù)
無論你是用智能手機給貓拍照，還是用先進的顯微鏡給細胞培養(yǎng)成像，你都是通過一個像素一個像素地測量光的強度(亮度)來完成的。光的特點不僅在于它的強度，而且在于它的相位。有趣的是，如果你能夠測量透明物體所引入的光的相位延遲，它就能變得可見。
1953年弗里茨·澤尼克(Frits Zernike)獲得諾貝爾獎的相襯顯微鏡技術(shù)，由于可以獲得各種透明和光學薄的樣品的高分辨率圖像，給生物醫(yī)學成像帶來了一場革命。從澤尼克的發(fā)現(xiàn)中出現(xiàn)的研究領(lǐng)域包括現(xiàn)代成像技術(shù)，如數(shù)字全息和定量相位成像。
華沙大學物理系量子成像實驗室負責人Radek Lapkiewicz博士解釋說:“它可以對活標本進行無標記和定量表征，例如細胞培養(yǎng)，并可以在神經(jīng)生物學或癌癥研究中找到應用。”
具有強度相關(guān)性的抗噪聲相位成像，來源:華沙大學物理系
相位成像的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新
然而，仍有改進的余地。“例如，干涉測量法是一種標準的測量方法，可以在被測物體的任何一點進行精確的厚度測量，只有在系統(tǒng)穩(wěn)定，不受任何沖擊或干擾的情況下才有效。華沙大學物理系的博士生Jerzy Szuniewcz解釋說:“例如，在移動的汽車或震動的桌子上進行這樣的測試非常具有挑戰(zhàn)性。”
華沙大學物理系的研究人員與斯坦福大學和俄克拉荷馬州立大學的同事決定解決這個問題，并開發(fā)一種新的相位成像方法，該方法不受相位不穩(wěn)定性的影響。他們的研究結(jié)果發(fā)表在著名的《科學進展》雜志上。
回到老學校
研究人員是如何想到這項新技術(shù)的呢?早在60年代，倫納德·曼德爾和他的團隊就已經(jīng)證明，即使干擾的強度無法檢測到，相關(guān)性也能揭示它的存在。
Lapkiewicz博士解釋說:“受曼德爾經(jīng)典實驗的啟發(fā)，我們想研究強度相關(guān)測量如何用于相位成像。”在相關(guān)測量中，我們觀察成對的像素，觀察它們是同時變亮還是變暗。
“我們已經(jīng)證明，這種測量包含了使用單張照片無法獲得的額外信息，即強度測量。利用這一事實，我們證明了在基于干涉的相位顯微鏡中，即使在標準干涉圖平均掉掉所有相位信息并且在強度中沒有記錄條紋的情況下，觀察也是可能的。
“按照標準的方法，人們會認為這樣的圖像中沒有有用的信息。然而，事實證明，信息隱藏在相關(guān)性中，可以通過分析一個物體的多張獨立照片來恢復，從而使我們獲得完美的干涉圖，即使普通的干涉由于噪聲而無法檢測到，”Lapkiewicz補充道。
“在我們的實驗中，穿過相位物體(我們想要研究的目標)的光與參考光疊加在一起。在目標和參考光束之間引入隨機相位延遲，這種相位延遲模擬了干擾標準相位成像方法的干擾。
因此，在測量強度時沒有觀察到干涉，也就是說，無法從強度測量中獲得有關(guān)相位對象的信息。然而，空間依賴的強度-強度相關(guān)顯示了包含有關(guān)相位對象的完整信息的條紋圖案。
這項研究的第一作者Jerzy Szuniewicz解釋說:“這種強度-強度相關(guān)性不受任何時間相位噪聲的影響，這些噪聲的變化速度比探測器的速度慢(實驗中約為10納秒)，并且可以通過在任意長的時間內(nèi)積累數(shù)據(jù)來測量——這是一個改變游戲規(guī)則的因素——更長的測量意味著更多的光子，這意味著更高的精度。”
簡單地說，如果我們要記錄一幀電影，那一幀不會給我們提供關(guān)于被研究對象的有用信息。“因此，我們首先使用相機記錄了一系列這樣的幀，然后將每幀中每對點的測量值相乘。我們平均了這些相關(guān)性，并記錄了我們的目標的完整圖像，”Jerzy Szuniewicz說。
“有許多可能的方法可以從一系列圖像中恢復被觀察物體的相位輪廓。然而，我們證明了基于強度-強度相關(guān)和所謂的離軸全息技術(shù)的方法提供了最佳的重建精度，”該論文的第二作者Stanislaw Kurdzialek說。
黑暗環(huán)境的好主意
基于強度相關(guān)的相位成像方法可以廣泛應用于強噪聲環(huán)境。這種新方法既適用于經(jīng)典光(激光和熱光)，也適用于量子光。它也可以在光子計數(shù)系統(tǒng)中實現(xiàn)，例如使用單光子雪崩二極管。Jerzy Szuniewicz解釋說:“我們可以在光線不足的情況下使用它，或者當我們不能使用高光強以免損壞物體時，例如，一個精致的生物樣本或一件藝術(shù)品。”
Lapkiewicz博士總結(jié)道:“我們的技術(shù)將拓寬相位測量的前景，包括紅外和x射線成像以及量子和物質(zhì)波干涉測量等新興應用。”
參考文獻:“具有強度相關(guān)性的抗噪聲相位成像”，作者:Jerzy Szuniewicz, Stanislaw Kurdzialek, Sanjukta Kundu, Wojciech Zwolinski, Radoslaw Chrapkiewicz, Mayukh Lahiri和Radek Lapkiewicz, 2023年9月22日，Science Advances。DOI: 10.1126 / sciadv.adh5396
這項工作得到了波蘭科學基金會在歐洲區(qū)域發(fā)展基金(POIR.04.04.00-00-3004/17-00)資助的FIRST TEAM項目“量子計量和超分辨率顯微鏡的時空光子相關(guān)測量”下的支持。Jerzy Szuniewicz也得到了波蘭國家科學中心的支持，資助號為2022/45/N/ST2/04249。S. Kurdzialek感謝波蘭國家科學中心資助(2020/37/B/ST2/02134)。M.ahiri。感謝美國海軍研究辦公室的支持，合同編號為N00014-23-1-2778。
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