宋汉全：量子相衬成像【APL，2020】
发布时间：2020-06-03 阅读：17次
量子成像也叫做“鬼成像”，是不同于传统光学成像的一种新型成像方式，具有非定域、抗干扰、超分辨等特点。量子成像的物理本质是经典还是量子，一直在学术界存在争议，但其所具有的应用价值却一直是学者们关注的焦点。目前的量子成像方案，是对待测物体的振幅信息进行探测，而无法直接获取待测物体的相位信息。
针对这一科学问题，我校数理学院高禄副教授带领研究团队，指导硕士研究生宋汉全将热光“鬼成像”方案与传统涡旋滤波相衬成像技术相结合，利用随机热光源实现了相位物体的非定域边缘增强实验，测得了热光“鬼成像”系统的贝尔值，证实了系统在空间自由度上的经典物理本质。研究取得如下创新性成果和认识：
1、提出了一种新型的空间滤波相衬成像方案。传统的涡旋滤波成像是在物体的傅里叶频谱面滤波，我们提出的新型滤波方案是将被测的相位物体和涡旋滤波片都放置于光源的像平面上，通过逐点扫描的成像方式实现涡旋滤波相衬成像。这一方案不需要附加的光学器件，同时消除了传统方法对涡旋滤波片空间位置的限定。
2、相位物体非定域各向同性以及特定方向边缘增强相衬成像。以热光“鬼成像”实验光路为基础，设计了非定域涡旋滤波相衬成像方案。传统涡旋滤波相衬成像技术是在一个单光路4f系统的焦平面上放置螺旋相位片，在像平面即可获得边缘增强图像。这里我们创新性地将待测相位物体与螺旋相位片分别放置于空间分离的两个光路中（图1所示），利用具有不同相位分布的涡旋滤波器，通过关联测量获得各向同性以及水平和竖直方向的边缘增强图像（图2所示）。
3、热光源量子成像系统物理本质的实验证明。我们选取各向同性的相位圆作为待测物体，通过逐点二阶关联测量获得了边缘增强图像以及圆环边界处的强度值随方位角变化的曲线（图3所示）。利用散点曲线图计算出贝尔表达式S值小于2，由此证明随机热光源的量子成像系统在空间自由度上具有经典物理特性。
图1 热光源涡旋滤波量子相衬成像方案
图2 相位物体量子相衬成像实验结果图
图3 热光源量子成像系统贝尔不等式测量实验结果
上述研究成果发表在物理学领域国际权威刊物《Applied Physics Letters》上: Hanquan Song, Yingwen Zhang, Yuhang Ren, Zhidan Yuan, Dayu Zhao, Zhiyuan Zheng, and Lu Gao*. Non-local edge enhanced imaging with incoherent thermal light, Applied Physics Letters, 2020, 116, 174001. [IF2018=3.521]
