通过双折射调制实现相位对比幽灵成像

《Optics & Laser Technology》：Phase contrast ghost imaging via birefringent modulation

　　

窦 Ling-Yu | 徐 De-Qin | 曹 De-Zhong | 任 Li-Qing | 宋 Xin-Bing

北京工业大学物理学院，北京 100081，中国

摘要

幽灵成像是一种独特的成像技术，它通过相关性测量实现非局部成像。最近的研究表明，通过结合螺旋相位和傅里叶基调制，可以在计算幽灵成像中实现相位对比成像。此外，还使用了各种基于边缘提取算子的相位对比策略来增强边缘特征。然而，这些方法不可避免地依赖于复杂的调制方法或先进的设备。在本文中，我们展示了仅使用石英板调制在伪热光幽灵成像中实现直接相位对比成像的方法。传统的幽灵成像由于强度变化微弱而难以处理高透明度物体，但我们的方案通过在桶检测中选择性地抑制非突变区域的信号来克服这一限制。作为实验验证，我们展示了棉纤维、光刻胶结构和生物样本的图像。这项技术预计将在微小和复杂结构的非局部成像中发挥重要作用。

引言

幽灵成像最初是基于纠缠光子的非局部性开发的，后来通过经典光强度相关性实现[1]，[2]，目前是图像重建中的一个热门话题。在传统的幽灵成像（CGI）中，桶探测器收集来自物体的透射光或反射光，并与空间分辨探测器配合使用。成像是通过两个探测器之间的相关性测量来实现的。由于其对抗湍流的鲁棒性[3]，幽灵成像引起了广泛的研究兴趣[4]。同时，已经提出了许多方法来通过各种途径[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]来提高成像质量。随后，提出了一种称为计算幽灵成像的简化方案，该方案仅保留物体和桶探测器[12]，[13]，[14]。此外，压缩幽灵成像也由于能够显著降低采样率来提高成像质量而得到了广泛研究[15]。

相位对比成像（PCI）是一种强大的技术，用于可视化透明样本，通过将振幅或相位的突然变化转换为清晰可辨的强度对比来增强可见性。最初的PCI方法使用了相位移动条，由Frits Zernike在20世纪30年代首次引入[16]。从那时起，PCI已经扩展到光学领域之外，并成功应用于X射线[17]、扫描电子显微镜[18]和其他新兴技术。由于其对抗突然变化的卓越敏感性，PCI特别适合边缘检测任务[19]。幽灵成像的最新进展进一步扩展了这些能力。例如，通过调整光源和测量处理并利用先前的物体知识，实现了梯度幽灵成像[20]。通过单像素成像和傅里叶谱采集，实现了新颖的频域边缘检测[21]。单像素螺旋相位对比成像通过螺旋相位编码的平面波进行空间扫描，实现幅度和相位物体的边缘检测，从而直接进行傅里叶谱采集[22]。此外，使用非相干热光源的非局部边缘增强幽灵成像系统通过螺旋相位过滤和二阶强度相关性检测实现相位物体的可视化[23]。作为成像相位物体的强大方法，相位对比技术也已成功集成到使用X射线辐射的计算幽灵成像中[24]，[25]。基于这一趋势，最近的演示范围从利用超纠缠光子的量子方案来成像透明双折射图案[26]到经典的计算双臂方法[27]。后者方法在两个臂中都使用傅里叶基调制和单像素检测，通过强度相关性测量重建增强边缘的图像，有效地消除了对相机或机械扫描系统的需求。然而，这些基于幽灵成像的边缘检测方法的一个共同特点是它们依赖于螺旋相位操作或其他计算复杂的信号处理算法。

与这些复杂的方法相比，我们报告了一种简单的边缘成像方案，该方案在传统的幽灵成像设置中直接结合了双折射晶体进行相位对比调制。与标准CGI不同，在标准CGI中，与目标相互作用的光完全由桶探测器收集，我们的方法在目标和桶探测器之间引入了双折射晶体和偏振片以实现相位对比调制。我们方法的核心原理在于双折射晶体，它将物体上的散斑图案复制成两个横向移动的副本。偏振片垂直于目标处照明光的偏振方向，选择性地抑制没有突然相位或强度变化的区域的光。因此，桶探测器（在我们的实验中实现为CCD2）主要收集对应于目标边缘或尖锐过渡的信号。这种调制机制与偏振干涉成像和差分干涉对比（DIC）显微镜[28]，[29]有相似之处，利用光学路径差异来增强边缘对比。我们方法的关键优势在于它能够在光学检测过程中直接提取边缘信息，而不是依赖于额外的数字后处理算法（如螺旋相位重建或梯度算子）。这种方法保持了传统幽灵成像的核心计算简单性，同时将对比机制从软件转移到了光学系统。

部分摘录

实验设置和基本理论

图1所示的实验设置类似于使用伪热光的CGI，但目标检测后的方案有所不同。一个He-Ne激光（波长$\lambda =632.8\text{nm}$，光束宽度$～2.5\text{mm}$）照射一个缓慢旋转的磨砂玻璃（GG，旋转频率：$2{10}^{-3}\text{Hz}$），以产生伪热光。散射光通过偏振分束器（PBS），它只传输水平偏振的（$\stackrel{}{?}$）分量，从而创建一个线性偏振光源。偏振散斑场是

实验结果

我们使用三种不同的物体实验演示了所提出的成像方案：棉纤维、光刻胶结构和昆虫翅膀碎片。作为对比，使用30,000个采样帧展示了每个样本的PCGI和CGI结果并进行分析。

第一个目标如图3(a)所示，由直径约为$15\mathrm{\mu <mtext\; is="true">m</mtext>}$的三根棉纤维组成。在成像之前，我们测量了CCD2的中心像素与整个平面之间的归一化二阶相关性

与现有相位对比幽灵成像方法的比较

为了对比我们提出的PCGI方案的性能，将其与现有的相位对比幽灵成像技术进行比较是有指导意义的。几项最近的研究使用更复杂的方法展示了令人印象深刻的增强边缘的成像结果。例如，螺旋相位调制已成功应用于电子束[18]和经典热光源[20]的幽灵成像中，实现了高图像质量的各向同性边缘增强。

结论

总之，我们提出了一种基于相位对比成像的新幽灵成像方案，通过选择性地忽略非突变区域的光来增强边缘检测。关键创新在于集成双折射晶体来生成物体场的两个横向移动的副本，以及使用偏振片通过破坏性干涉来抑制平滑区域的光。与CGI不同，这种调制的桶检测设计确保探测器主要捕获信号

CRediT作者贡献声明

窦 Ling-Yu：撰写——原始草案，研究。徐 De-Qin：研究。曹 De-Zhong：撰写——审稿与编辑，软件。任 Li-Qing：撰写——审稿与编辑。宋 Xin-Bing：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草案。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（授权号12104045，12464047）、陕西省科技资源共享平台（2023-CX-PT-16）和榆林市青年和中青年科技领军人才项目（2024-KJZG-ZQNLJ-005）的支持。