[论文解读] Pixel super-resolution using spatially-entangled photon pairs

Hugo Defienne, P. B. Cameron+8 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于空间纠缠光子对的像素超分辨率技术，用于量子成像，通过测量光子对的完整联合概率分布（JPD），实现超越传感器像素极限的分辨率。该方法利用空间纠缠特性，在无需先验知识或机械扫描的情况下重建亚像素特征，实现有效分辨率两倍提升，恢复了标准成像系统中因欠采样而丢失的空间信息。

ABSTRACT

Pixelation occurs in many imaging systems and limits the spatial resolution of the acquired images. This effect is notably present in quantum imaging experiments with correlated photons in which the number of pixels used to detect coincidences is often limited by the sensor technology or the acquisition speed. Here, we introduce a pixel super-resolution technique based on measuring the full spatially-resolved joint probability distribution (JPD) of spatially-entangled photons. Without shifting optical elements or using prior information, our technique increases the pixel resolution of the imaging system by a factor two and enables retrieval of spatial information lost due to undersampling. We demonstrate its use in various quantum imaging protocols using photon pairs, including quantum illumination, entanglement-enabled quantum holography, and in a full-field version of N00N-state quantum holography. The JPD pixel super-resolution technique can benefit any full-field imaging system limited by the sensor spatial resolution, including all already established and future photon-correlation-based quantum imaging schemes, bringing these techniques closer to real-world applications.

研究动机与目标

• 解决基于光子关联的量子成像系统中传感器像素尺寸带来的分辨率限制问题。
• 恢复因有限像素传感器在全场量子成像中欠采样而丢失的空间信息。
• 在量子照明和量子全息等量子协议中实现更高分辨率成像，而无需使用更快或更高分辨率的相机。
• 证明可利用纠缠光子的完整空间分辨联合概率分布（JPD）提取亚像素特征。
• 为现有量子成像系统提供一种实用、非侵入性的方法，仅通过标准探测硬件即可提升分辨率。

提出的方法

• 该方法使用像素间距为Δ的像素化探测器，测量图像平面上空间纠缠光子对的完整二维联合概率分布（JPD）。
• 利用光子对的空间纠缠特性，其中双光子波函数Ψt(x₁,x₂)具有特征宽度σ，以提取超越像素分辨率的信息。
• 通过在像素尺寸区域上积分计算JPD，关键洞察在于纠缠态强度分布与像素边界之间的重叠，使亚像素分辨率成为可能。
• 该技术利用JPD的和坐标投影来重建高分辨率强度分布，有效在不改变传感器的情况下将分辨率加倍。
• 通过归一化校正由非对角JPD元素引起的非对称积分区域（S₁ ≠ S₂），确保振幅恢复的准确性。
• 实验验证采用32 μm像素的EMCCD相机，并与16 μm像素相机对比，证实了两倍分辨率增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用空间纠缠光子的联合概率分布（JPD）检索超越探测器像素尺寸的空间信息？
• RQ2 测量完整JPD是否可在无需机械扫描或对象先验知识的情况下实现超分辨率成像？
• RQ3 当量子成像系统的分辨率受限于传感器像素分辨率而非衍射极限时，其分辨率可提升至何种程度？
• RQ4 基于JPD的重建方法在调制传递函数（MTF）和光谱响应方面，与使用更高分辨率相机成像相比，其定量性能如何？
• RQ5 该超分辨率技术是否可应用于多种量子成像协议，包括量子照明和量子全息？

主要发现

• 该方法通过从空间纠缠光子的JPD中重建亚像素特征，实现了有效像素分辨率的两倍提升。
• JPD的和坐标投影恢复了高达传感器奈奎斯特极限两倍的空间频率，经由斜边调制传递函数（MTF）测量得到验证。
• 从JPD重建的强度图像与使用16 μm像素间距相机获取的图像匹配，表明尽管使用了32 μm像素传感器，分辨率仍等效。
• 该技术成功恢复了10周期光栅的真实物体结构，而标准强度成像在32 μm像素下无法分辨单个周期。
• 该方法在多种量子成像协议中表现稳健，包括量子照明和纠缠增强的量子全息，证明了其通用适用性。
• 由于非对称积分区域的存在，JPD的归一化至关重要，其引入确保了振幅恢复的准确性与分辨率的提升。