“鬼成像”原理你知道嗎？

“鬼成像”（Ghost Imaging）又稱雙光子成像（Two-photon Imaging）或關(guān)聯(lián)成像（Correlated Imaging），是一種利用雙光子復(fù)合探測恢復(fù)待測物體空間信息的一種新型成像技術(shù)。

傳統(tǒng)的光學(xué)觀察是基于光場的強(qiáng)度的分布測量，關(guān)聯(lián)光學(xué)則基于光場的強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)測量，并且現(xiàn)有的成像技術(shù)主要利用光場的一階關(guān)聯(lián)信息（強(qiáng)度與位相）。而經(jīng)典“鬼成像”利用的光場的二階關(guān)聯(lián)被認(rèn)為是一種強(qiáng)度波動的統(tǒng)計相關(guān)?！肮沓上瘛奔夹g(shù)已經(jīng)在雷達(dá)、遙感成像、照相機(jī)、X光成像、中子成像、電子成像、冷原子成像、熒光顯微成像、聲學(xué)探測以及3D打印等領(lǐng)域大展身手。

歷史

作為愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）佯謬爭端的一個結(jié)論，糾纏光子對的空間非定域特性得到了廣泛的認(rèn)同。這種奇特的性質(zhì)引發(fā)了與量子信息相關(guān)的研究。“鬼成像”最早可以追溯到上世紀(jì)五六十年代，英國學(xué)者HanburyBrwon和Twiss完成的HBT干涉實驗就和它有關(guān)。該實驗不僅解決了傳統(tǒng)Michelson星體干涉儀等中大氣擾動難題，而且第一次揭開了量子光學(xué)的相干性的美麗面紗。

后來，俄國科學(xué)家采用同樣的手段，使得物體的邊緣衍射條紋，呈現(xiàn)在并不包含物體的光路上。1993年巴西科學(xué)家通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用糾纏熱光源，通過復(fù)合計數(shù)，能使原本由于退相干而消失的楊氏干涉條紋，重新呈現(xiàn)在包含楊氏雙縫的光路上。

上世紀(jì)九十年代中期，隨著“幽靈”光源——量子糾纏光源的成功制備，“鬼成像”以“量子成像”的面貌再次亮相。一對糾纏光子“分手”后，一個光子遇到物體被一個沒有空間分辨能力的探測器接收，同時另一個光子也被探測器接收到，兩個探測器結(jié)果“相遇”后就可以得到物體的照片。

“鬼成像”的“量子成像”面具，導(dǎo)致部分學(xué)者認(rèn)為量子糾纏是必不可少的，而另一部分學(xué)者則認(rèn)為量子糾纏并非絕對需要的。大量學(xué)者就“鬼成像”的真面貌進(jìn)行了大討論，一時間論說莫衷一是。2002年，美國的Bennink等人打破了爭議，首次利用非量子糾纏光源演示了“鬼成像”實驗。隨后，中科院上海光機(jī)所韓申生課題組和意大利A.Gatti等人分別從經(jīng)典的統(tǒng)計光學(xué)和光場相干性理論出發(fā)，理論上完成了經(jīng)典熱光的“鬼成像”理論分析。至此，“鬼成像”不再局限于“量子成像”，開始在各個應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。

此后，有關(guān)非局域量子成像的研究迅速開展起來。之所以稱之為“鬼成像”，是因為對于其中任何一個探測器都不是對物體直接成像，但兩探測器的“相遇”卻又能得到物體的照片，就像兩個不相識的畫師閉著眼在畫布上肆意涂鴉，卻合作畫出了一個人的精確肖像。這種現(xiàn)象讓人們覺得不可思議，感覺似乎有幽靈出沒。

原理

首先，回顧下經(jīng)典成像，如下圖所示。物體發(fā)出的光，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，成立一個倒立的虛像，例如人眼、照相機(jī)、透鏡等成像，都屬于經(jīng)典成像范疇，主要包括光源、物體、光學(xué)系統(tǒng)三部分。

“鬼成像”原理則如下圖所示，光源經(jīng)過隨機(jī)掩模（如旋轉(zhuǎn)的毛玻璃）后被分光鏡分為物臂和參考臂兩束光，在物臂傳播到毛玻璃生成散斑場，照射到物體后的反射或透射信號被桶探測器（只探測透過物體的總光強(qiáng)，無任何分辨率）記錄，沒有照射到目標(biāo)物體的散斑場同時在參考臂被CCD相機(jī)記錄，和桶探測器D1記錄的信號一起構(gòu)成一次測量，經(jīng)過N次采樣后就能夠得到物體的圖像。舉個例子，首先在室外安置好探測器D1，然后在室內(nèi)通過探測器D2對該光源一段時間的采樣后，就能夠得到外面的圖像，完全不需要直接看到外面的任何信息。

優(yōu)勢

鬼成像這種間接成像的獨(dú)特方法，使得它在實際應(yīng)用中有著傳統(tǒng)成像所沒有的優(yōu)勢。由于桶探測器只用于收集物體的所有透射光或背向散射光，不具有空間分辨能力，因此鬼成像能夠抵抗云霧、煙和霧霾等氣象條件的干擾，從而獲得更為清晰的圖像。除此以外，這種收集所有物光的成像方式還可以避免光能量分散在面陣式探測器的每個像素上，提高信噪比，因此鬼成像可以實現(xiàn)極弱光照下的成像。當(dāng)熱，也可以把這種成像方式應(yīng)用于具有輻射傷害的X射線成像中，實現(xiàn)低劑量下的X射線鬼成像。

實驗結(jié)果表明，和傳統(tǒng)透射成像方式相比，在弱光的情況下利用鬼成像的方式可以獲得比傳統(tǒng)透視成像更高的信噪比。在獲得相同信噪比的情況下，利用鬼成像的方法可以大幅降低成像過程中的輻射劑量，如下圖所示。該工作首次在實驗上用一種簡單的方式驗證了超低輻射鬼成像的可行性，為后續(xù)的三維X射線鬼成像以及生物醫(yī)療上的實用化應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

由于鬼成像技術(shù)能夠透過散射介質(zhì)，因此在遙感，監(jiān)控等方面，也取得了非常顯著的科學(xué)成果。

發(fā)展

1.“鬼成像”X光

針對X光成像中相干性要求高以及透鏡研制困難的問題，“鬼成像”利用非相干光源實現(xiàn)了無透鏡的衍射成像，使得小型化的臺式X光衍射成像成為了可能，大大推進(jìn)了X光在納米技術(shù)、生命科學(xué)和遠(yuǎn)程探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.“鬼成像”雷達(dá)

從成像的角度來看，雷達(dá)是通過接收目標(biāo)的回波信號來實現(xiàn)成像的系統(tǒng)。“鬼成像”雷達(dá)通過利用目標(biāo)回波信號與出射信號的關(guān)聯(lián)，獲得了目標(biāo)的空間三維圖像信息。

不同于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)，“鬼成像”雷達(dá)利用圖像的統(tǒng)計性質(zhì)可以在大幅度減少采樣數(shù)目、提高成像速度的同時具備超分辨能力。打個比方，傳統(tǒng)成像是點到點的成像，視場范圍100×100個點便需要測量10000個數(shù)據(jù)，而有效信息卻可能只有中間的30×30個點，利用“鬼成像”雷達(dá)進(jìn)行測量，能有效避免無效測量，僅需遠(yuǎn)小于10000個數(shù)據(jù)便能獲得完整信息。作為一種全新的光學(xué)遙感成像技術(shù)，“鬼成像”雷達(dá)既具有傳統(tǒng)激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測能力，又具有閃光成像雷達(dá)的高圖像分辨率。

如下圖所示，把鬼成像裝置（a）安裝在飛機(jī)下面，對地面目標(biāo)（b）進(jìn)行成像，獲得的結(jié)果如圖（c）所示，不同的顏色代表了目標(biāo)的高度信息，通過將高度信息的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)目標(biāo)三維成像的目的。

3.“鬼成像”相機(jī)

“鬼成像”相機(jī)除了能夠像傳統(tǒng)相機(jī)一樣記錄目標(biāo)的空間信息，還能夠單次拍照獲取目標(biāo)的光譜、偏振等光學(xué)維度的信息?！肮沓上瘛痹跓晒怙@微成像領(lǐng)域大顯身手，背后依靠的就是“鬼成像”相機(jī)技術(shù)。

活細(xì)胞成像對理解生命機(jī)制與運(yùn)行特征具有重要意義，光學(xué)顯微鏡是進(jìn)行活細(xì)胞成像的首選工具，但是其空間分辨能力受到成像鏡頭的限制，只能達(dá)到200~300納米。以受激發(fā)射耗竭顯微鏡（STED）、結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（SIM）、光激活定位顯微技術(shù)（PALM）、隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微鏡（STORM）等為代表的諾貝爾獎工作雖然打破了衍射受限的障礙，但由于存在時間分辨能力和空間分辨能力之間的制約，以及大功率照明對生物組織的損傷問題，目前的超分辨率熒光納米顯微成像技術(shù)仍難以實時觀測細(xì)胞內(nèi)納米尺度快速變化的動力學(xué)過程。

審核編輯：黃飛

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