Optica | 量子启发超分辨成像

导 读

寻求超越衍射极限的分辨率是光学成像领域的重点课题，也是现代生物显微和天文望远观测中的迫切需求。从量子信息角度出发，新加坡国立大学曾文祺副教授团队提出了基于空间光模式分解的量子启发超分辨成像技术。区别于传统的基于相机的直接成像，该技术通过在空间光模式上探测光子，能实现量子极限水平的非相干超分辨成像，被认为是极具前景的超分辨方法之一。

近期，该团队的谭潇颉、戚犖博士等对量子启发超分辨成像进行了进一步验证。研究团队利用多平面光转换设备，设计了在六个不同的厄密高斯模式上检测光信号的实验方案，实现了非相干光下的超分辨成像。论文以”Quantum-inspired superresolution for incoherent imaging”为题发表于Optica。

对于非相干光学成像，空间光模式分解是接近量子最优的测量方案。本次实验如图1所示，点光源由一束从1550 nm激光器发出的高斯光束构成，空间光模式分解器则通过一个多平面光转换设备实现。该设备放置于二维移动台上 ，以在光源和分解器之间产生二维横向位移。高斯光束输入分解器后，被分解为六个厄密高斯模式，并由六个光电探测器分别进行探测，输出数据由示波器读取收集。通过在横向平面上进行二维扫描，六个通道的输出随点源位置的变化被一一记录。非相干多点光源的成像数据则由相应位置的点光源输出产生。

图1: 基于空间光模式分解的成像实验示意图

研究团队首先就两个点光源的区分与定位问题进行了分析。受制于衍射极限，传统成像无法区分距离过近的两个点光源。图2绘制了本实验中点光源定位的三个代表性示例，黑、红标记分别代表点光源的真实位置与通过空间光模式分解得到的估计位置，背景为直接成像。在左图中，两个点光源的间距大于衍射极限，能从背景所示的图像中大致区分，同时模式分解也对它们的位置做出了准确的估计。在中图中，点光源相距0.3倍衍射极限，在直接成像下产生了不可区分的图像，而模式分解准确地给出了两个点光源的位置。在右图中，点光源间距为衍射极限的十分之一，直接成像完全无法识别具体光源。此情形下的模式分解依然以极高的精度推断了点光源的真实位置，误差约为衍射极限的百分之一。这些示例展示了空间光模式分解对两个非相干点光源的超分辨成像能力。

图2：对两个非相干点光源的定位。

对于更为复杂的涉及多个点光源的成像问题，研究团队对其分布矩进行了半参数估计。利用六个通道的输出数据，不同物体尺度下的六个矩被分别推算，相应的信噪比（信号/误差）也被分别得出。图3为每个物体尺度区间绘制了信噪比的平均值，误差条表示该区间内信噪比的最小值和最大值。可以观察到所有尺度下，六个矩的信噪比都很高，亚衍射范围内亦然。整体而言，平均信噪比超过30 dB，说明平均误差水平小于信号的千分之一。这些结果证明了空间光模式分解在复杂样品的成像中，对其图像特征的超分辨提取能力。

图3：对多个非相干点光源矩的估计

本文展示了在量子启发的空间光模式分解测量方案下，两个非相干光源的定位以及多个点光源的半参数估计，验证了该技术在非相干成像中的可行性，为量子启发超分辨在实际场景中的应用铺平了道路。

Xiao-Jie Tan, Luo Qi, Lianwei Chen, Aaron J. Danner, Pakorn Kanchanawong, and Mankei Tsang, “Quantum-inspired superresolution for incoherent imaging,” Optica 10, 1189-1194 (2023).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.493227