类型a：这篇文档报告了一项原创研究，以下是关于该研究的学术报告。
主要作者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括Reuben S Aspden、Peter A Morris、Ruiqing He、Qian Chen和Miles J Padgett。其中，Reuben S Aspden和Miles J Padgett来自英国格拉斯哥大学物理与天文学学院，而Ruiqing He和Qian Chen则隶属于中国南京理工大学电子与光学工程学院。这项研究于2016年3月21日发表在《Journal of Optics》上，标题为“heralded phase-contrast imaging using an orbital angular momentum phase-filter”。
学术背景
该研究属于光学成像领域，特别是相衬成像（phase-contrast imaging）和鬼成像（ghost imaging, GI）技术的研究方向。传统的相衬成像是由Zernike发明的一种用于观察透明物体内部相位变化的技术，它通过将相位变化转化为强度变化来实现成像。近年来，螺旋相位滤波器（spiral phase filter）被引入到相衬成像中，以实现各向同性的边缘增强效果。然而，这些方法通常需要较高的光子数量，并且在低光条件下难以获得高对比度图像。
鬼成像是一种利用信号光子和闲散光子之间的相关性进行成像的技术。尽管鬼成像已被广泛应用于多种成像系统，但其在相衬成像中的应用仍然有限。此外，大多数传统鬼成像技术依赖部分相关性，导致图像叠加在一个很大的背景基座上，从而降低了对比度。本研究旨在开发一种基于轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）相位滤波器的非局部相衬成像系统，能够在极低光条件下实现高对比度的相衬成像。
详细研究流程
本研究包括以下实验步骤和方法：
实验装置设计
实验使用了自发参量下转换（spontaneous parametric down-conversion, SPDC）过程生成的空间相关性和OAM反相关的信号光子和闲散光子。实验装置如图2所示，主要包括一个3毫米长的β-硼酸钡（BBO）晶体，由355纳米的水平偏振准连续波激光泵浦。泵浦光经过空间滤波和准直后，形成一个全宽半高（FWHM）为0.5毫米的基本高斯模式光束。晶体被切割用于I型相位匹配，生成共线、频率简并的信号和闲散光束。这些光束通过高透射干涉滤光片与泵浦光分离，中心波长为710纳米，带宽为10纳米。
分光与探测
信号光子和闲散光子通过一个位于晶体傅里叶平面的薄膜分束器分离到两个独立的光学路径中。信号光子经过物体臂，照射到一个空间光调制器（SLM）上编码的相位物体（例如Pacman形状）。随后，信号光子被一个单光子雪崩探测器（SPAD）检测，触发ICCD相机记录闲散光子的位置。闲散光子首先通过一个自由空间延迟线，确保其与信号光子的时间同步，然后通过一个螺旋相位滤波器（位于晶体的傅里叶平面），最终被ICCD相机记录。
数据采集与处理
实验采集了21600帧图像，每帧曝光时间为1秒，ICCD相机的增强器每次触发时长为4纳秒。为了减少噪声，泵浦光被衰减，使得每次脉冲仅产生少量光子对。通过这种方法，研究团队确保了每个被ICCD相机记录的光子都与其对应的信号光子高度相关。
实验条件与参数
在物体臂中，晶体被重新成像到SLM上，形成一个直径为1.5毫米（FWHM）的空间非相干光束。闲散光子臂中，螺旋相位滤波器被放置在晶体的傅里叶平面，ICCD相机则位于后续的成像平面。研究团队还通过调整光纤耦合方式控制了非成像探测器的空间选择性，以实现高对比度的相衬成像。
主要结果
1. 成像效果
研究团队分别使用平面波滤波器和螺旋相位滤波器获得了两组图像（见图3）。结果显示，使用螺旋相位滤波器时，图像表现出显著的各向同性边缘增强效果。未增强图像（图3c）的平均对比度为58%，最大对比度为69%；而边缘增强图像（图3f）的平均对比度为67%，中心区域的最大对比度达到84%。
低光条件下的成像能力
在低光条件下（图4），研究团队发现使用螺旋相位滤波器可以显著提高成像效率。仅需检测7300个光子即可清晰识别相位物体，而未使用滤波器时需要约75000个光子才能达到相同效果。这表明螺旋相位滤波器能够将识别速度提高一个数量级。
噪声抑制与时间窗口优化
尽管系统的检测效率较低（约为1%），但由于ICCD相机的高时间分辨率，其有效曝光时间仅为传统系统的1/3000，从而显著减少了暗噪声的影响，提高了最终图像的对比度。
结论与价值
本研究成功开发了一种基于OAM相位滤波器的非局部相衬鬼成像系统。该系统能够在极低光条件下实现高对比度的相衬成像，并显著缩短了曝光时间。这一技术不仅为相衬成像提供了新的可能性，还在生物医学成像、材料科学等领域具有重要应用价值。此外，该研究展示了量子关联光子在成像中的潜力，为未来量子成像技术的发展奠定了基础。
研究亮点
1. 首次实现了基于非局部螺旋相位滤波器的全视场相衬成像系统。
2. 使用极少的光子（仅7300个）即可清晰识别相位物体，显著优于传统方法。
3. 利用ICCD相机的高时间分辨率，有效抑制了暗噪声，提高了图像质量。
其他有价值内容
研究团队还探讨了非成像探测器的空间选择性对成像质量的影响，并指出单模光纤的选择对于实现高对比度成像至关重要。此外，该研究的数据已公开存储于开放获取数据库中，供其他研究人员参考和验证。