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作者与机构及发表信息
该研究由刘世凯（Shi-Kai Liu）、李银海（Yin-Hai Li）、周志远（Zhi-Yuan Zhou）等人完成，主要隶属于中国科学技术大学（University of Science and Technology of China, USTC）量子信息重点实验室和量子信息与量子物理协同创新中心。论文于2020年11月23日发表在《Optics Express》期刊第28卷第24期上。
研究背景
本研究属于光学信息处理和量子成像领域，重点探讨图像边缘增强技术（image edge enhancement technology）。图像边缘增强是图像处理、机器视觉和智能识别应用中的核心工具，尤其在特征检测和特征提取方面具有重要作用。此外，它也是人类视觉感知的第一步，在人眼视觉中扮演关键角色。然而，传统的量子边缘增强成像面临采集时间长和设备复杂性高的问题，这限制了其在实时应用场景中的潜力。为此，研究团队提出了一种结合螺旋相位对比技术（spiral phase contrast, SPC）和预示单光子成像（heralded single-photon imaging, HSPI）的实时量子边缘增强成像方法，旨在解决上述挑战，并推动低光照条件下的非破坏性生物成像、夜视和隐蔽监控等实际应用。
研究方法与实验流程
研究包括以下几个主要步骤：
光源与光子对生成
实验采用周期性极化KTP晶体（periodically poled KTiOPO4, PPKTP）通过自发参量下转换（spontaneous parametric down-conversion, SPDC）过程生成关联光子对。PPKTP晶体长度为20毫米，周期性极化周期为10微米，基于II型共线准相位匹配（type-II collinear quasi-phase-matching）。泵浦光来自波长为405纳米的连续波单频二极管激光器，经过透镜组聚焦后在晶体中心形成45微米的束腰。研究团队通过自制温控装置将PPKTP晶体温度优化至290.15K，以实现光子退化波长的最佳匹配。
光子分离与传输
产生的810纳米正交偏振光子对通过偏振分束器（polarizing beam splitter, PBS）分离，并通过一对透镜耦合到光纤准直器中。一路光子被发送到单光子雪崩探测器（single-photon avalanche diode, SPAD），作为预示触发信号；另一路光子通过15米长的单模光纤延迟线后注入边缘增强成像系统，作为单光子照明源。单模光纤用作光学延迟线，用于补偿ICCD（intensified charge-coupled device）相机的电子延迟，确保每次SPAD检测到光子时，其关联光子能被ICCD记录。
成像系统设计
成像系统基于4-f成像系统，包含两个焦距为10厘米的透镜。螺旋相位板（vortex phase plate, VPP）位于傅里叶平面，调制物体光谱并实现边缘增强。VPP的传输函数为 ( f(\rho, \phi) = circ\left(\frac{\rho}{r}\right)e^{il\phi} )，其中 ( l ) 表示轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）的拓扑荷数。研究分别测试了 ( l=1 ) 和 ( l=2 ) 的情况，前者用于各向同性边缘增强，后者用于曲边增强。
数据采集与分析
研究团队使用三种不同的ICCD采集模式进行图像采集：光子计数模式（photon counting mode）、传统光强度采集模式（traditional light intensity acquisition mode）和直接成像模式（fire-only mode）。光子计数模式通过设置阈值参数，将信号强度从“计数”转换为“光子数”，从而避免乘法噪声的影响。数据分析部分通过计算对比度比（contrast ratio）来量化图像质量，公式为 ( V = \frac{I{max} - I{min}}{I{max} + I{min}} )。
研究结果
1. 两种类型的边缘增强
使用猫形状图案作为测试对象，研究验证了 ( l=1 ) 和 ( l=2 ) 的边缘增强能力。对于 ( l=1 )，图像对比度达到约93.2%，边缘清晰且狭窄；对于 ( l=2 )，仅曲边显著增强，例如猫尾巴、颈部和垫部，对比度约为88.7%。实验还观察到猫颈部左侧光强增强5%，表明螺旋相位滤波可将均匀区域的能量重新分配到梯度区域。
阴影效应
研究通过平移VPP滤波器的核心位置，探索了阴影效应。结果显示，不同方向的阴影增强了特定方向的局部特征，揭示了二维平面图像的景深特性。这种定向选择性阴影效应在相位物体显微镜中具有重要应用价值。
实时成像能力
在1秒曝光时间内，研究成功捕获了清晰的原始图像和边缘增强图像。相比需要多帧累积的传统鬼成像（ghost imaging），该系统的高亮度和高效率显著提升了成像速度。
时间相关性表征
通过扫描ICCD的电延迟时间，研究验证了关联光子的时间相关性。当延迟时间偏离最佳值时，预示效应逐渐消失，但背景噪声始终保持较低水平，证明了系统的抗噪能力。
研究结论与意义
本研究首次实现实时量子边缘增强成像，解决了传统方法采集时间长的问题。研究结果表明，结合HSPI和SPC的方法在噪声环境中实现了更高的信噪比，同时展示了高亮度和高效率的优势。该技术在非破坏性生物成像、夜视和实时监控等领域具有广泛应用前景。此外，研究使用的15米长光纤延迟线显著降低了实验装置的复杂性，为不同平台之间的扩展提供了便利。
研究亮点
1. 提出并验证了实时量子边缘增强成像方法，显著缩短了图像采集时间。 2. 结合SPC和HSPI技术，实现了高信噪比和背景无干扰的边缘增强效果。 3. 首次报道了最高亮度的量子成像光源（62 kHz/mW/nm），并在实验中验证了其优越性能。 4. 探索了阴影效应和曲边增强，为相位物体显微镜提供了新思路。
其他有价值内容
研究团队还详细比较了三种ICCD采集模式的优劣，发现光子计数模式在图像对比度和抗噪能力方面表现最佳。这一发现为未来低光照成像技术的发展提供了重要参考。