揭示单像素量子鬼成像中的嵌入相位

当形成物体的图像时，例如手机拍摄的照片，与物体相互作用并通过或反射的光被手机中的检测器捕获。

大约25年前，科学家们设计了另一种不太直接的方法来做到这一点。在传统的形式中，而是使用从两个检测器收集的信息，通过结合一个捕获与物体相互作用的光和一个根本没有与物体相互作用的光的信息。然而，正是从未与物体相互作用的光被用来获取图像，导致该技术被命名为“重影成像”。

当使用纠缠光时，可以利用量子特性在非常低的光水平下做到这一点，这在观察生物成像中的光敏样本时可能是一个很大的优势，因为太多的光会损坏或改变样本，从而破坏什么人们希望看看——这在该领域是一个相当大的难题。

使用直接或间接成像，形成的图像是让多少光通过的结果，因此是物体透明度的结果。然而，物体可以与光发生另一种类型的相互作用，它可以揭示一些重要信息并显示丰富的特征。

这是通过的光的加速或减速，显示为相位。这意味着您可以看到正在成像的物体的更多特征和属性，例如厚度变化(提供一个3D信息)，或者内部是否存在不同的透明材料，这些材料的折射率变化足够大，从而改变光的相位.而且由于这是来自所有穿过的光，您将无法通过常规方式检测到它，通常需要复杂的策略和安排才能做到这一点。

南非威特沃特斯兰德大学(金山大学)结构光实验室的研究人员最近开发了一种方法，通过利用传统量子幻影成像中的“副作用”，以一种非常简单的方式做到这一点。该研究发表在《光学》杂志上。

“我们可以看到相位，这是物体的一个隐藏特征，通常很难揭示，但如果可以的话，它会非常强大。例如，LIGO就是这样检测引力波的。现在我们可以很容易地显示物体的隐藏相位，给访问生命系统的内部结构，带来3D(厚度)而不仅仅是常规物体的2D信息，并开辟了量子计量学的新方法——LIGO的量子版本，等等，”金山大学的实验室。

要从这里的非相互作用光中检测“重影”图像，研究人员可以选择两种方法。一种是使用电荷耦合器件(CCD)，就像您手机中的那样，但高度“增强”以便将最小形式的光视为光子。然而，这也带来了同样高昂的价格标签。

另一种选择可以是一个简单的“单像素”检测器，它只能看到收集了多少光而不能为您提供任何空间信息。在这里，让光在选定位置通过的掩膜现在可以改为放置和更改在该检测器前面，以揭示空间信息，并允许人们通过将所有这些信息加在一起来重建图像。

这使得在被检测光的波长和效率方面具有更多的通用性，同时价格也低得多。事实上，这是开发更灵敏的相机之前的使用方法，也是团队用来检测相位信息的方法。

“进一步拿LIGO类比，你可能会认为看到相位非常复杂和昂贵。事实上，这也是量子世界的情况，现有的方法使用昂贵的相机和复杂的光学系统，它们既笨重又昂贵。我们的方法让我们只用一个像素检测器就能看到所有这些，”Forbes说。

“我们的方法允许使用基本上没有分辨率的探测器实现出色的分辨率。我们通过以前没有人意识到的数字技巧来解决这个问题。这种隐藏的相位信息总是存在，但你必须知道在哪里寻找它。”

他们通过意识到某些掩模根据您构建它们的方式自然地对相位分量敏感并且可以智能地设计以揭示完整详细的相位结构以及该技术通常用于的常规信息来做到这一点。这样一来，就可以在使用量子光的单像素成像中对样品进行成像的方式增加一层额外的有用性，从而有可能在3D中看到物体——揭示物体的厚度或薄度，甚至是透明的物体。

“我们发现信息一直隐藏在技术中，稍加调整就可以让你看到非常丰富和有趣的特征，”该论文的第一作者BereneiceSephton说，他与Structured的同事一起从事该项目LightLaboratory、IsaacNape博士、ChaneMoodley和JasonFrancis在攻读博士学位期间。

“我们希望这可以用于对敏感的生物样本进行成像，以查看如果没有它就需要更复杂或更昂贵的手段的特征和特性。”