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什麼是“鬼”成像?

作者:Andy 瀏覽: 發表時間:2018-04-08 15:39:50 來源:來自何卓銘科學網博客

“鬼”成像( ghost imaging),又稱關聯成像或者雙光子成像,是一種基於光場漲落的量子或者經典關聯特性,通過測量參考光場與目標探測光場之間的強度關聯函數可以非局域地獲取目標圖像信息的新型成像技術
      對於上面這句定義,可以提煉3個非常重要的關鍵詞:“鬼”,表示鬼成像區別於一般的經典光學成像;“非局域地”,愛因斯坦最不喜歡的超距作用,可以不受光速的限製,是量子光學區別於經典理論的重要特征;新型成像技術,表明還是一種成像技術,圖像的成像分辨率和對比度仍然是其最為重要的技術目標。
      接下來,從原理上來詳細講解什麼是鬼成像。

原理

首先,回顧下經典成像是什麼樣子(如圖1),物體發出的光,經過光學系統,成立一個倒立的虛像,例如人眼、照相機、透鏡等成像,都屬於經典成像範疇,主要包括光源、物體、光學系統三部分。


1 經典成像(圖片來源於網絡)

“鬼”成像原理如圖2所示,光源經過隨機掩模(如旋轉的毛玻璃)後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,照射到物體後的反射或透射信號被桶探測器(隻探測透過物體的總光強,無任何分辨率)記錄,沒有照射到目標物體的散斑場同時在參考臂被CCD相機記錄,和桶探測器D1記錄的信號一起構成一次測量,經過N次采樣後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,然後在室內通過探測器D2對該光源一段時間的采樣後,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,仿佛幽靈般洞察著外面的一些事物,這也就是它為什麼被稱為“鬼”成像的原因所在。


2 鬼成像系統原理圖

鬼成像發展史

前面講了第一個關鍵詞“鬼”,接下來再講講第二個關鍵詞,“鬼”成像與量子光學的關系。

  • 1995年,美國馬裏蘭大學史硯華小組利用自發參量下轉換產生的糾纏光子對,首次在實驗上觀察到鬼成像[1];
  • 2001年,波斯頓大學A. F. Abouraddy等指出量子糾纏是實現量子成像的先決條件,由此引發了人們用經典光源實現鬼成像的實驗研究和理論探討[2]。

鬼成像首先是利用具有糾纏特性的光子對完成的,所以早期很多科學家錯誤地認為隻有具有量子的糾纏特性,才能實現鬼成像,並認為這是一種量子效應,直到2002年,情況才發生了很大的轉變。

  • 2002年,R. S. Bennink等利用隨機指向的激光束首次實現了熱光的鬼成像,其理論是基於光場的二階強度關聯函數[3]。

很快,科學家就對經典熱光源產生鬼成像給出了理論解釋。此後,大家對鬼成像的實現光源有了比較一緻的觀點,認為量子糾纏光源和經典的熱光源都可以用來實現鬼成像。

  • 2002~2005年,許多課題組先後用贗熱光源實現了鬼成像,如把激光照射到旋轉著的毛玻璃上獲得散斑場來進行實驗[4]。

由於熱光源更加容易獲得,而且數據處理相對也簡單,因此熱光鬼成像在實際應該用更加廣泛。至此,在量子成像(鬼成像)的發展過程中,人們發現量子糾纏不是實現鬼成像的必要條件,而是基於經典光場的強度(即光強)時空漲落和關聯。

研究方向及應用

經過二十幾年的發展,鬼成像技術已經越來越成熟,而且更多地應用在軍事、雷達探測等領域。作為一種新型的成像技術,成像分辨率和對比度(圖像質量)依然是其研究的主要目標[5-7]。另外前面提到,鬼成像要經過N次采樣才能獲得圖像,而一般都要上萬次采樣才能得到清晰的像,因此如何減少采樣次數獲得高質量圖像也是重要的研究方向,目前基於壓縮感知理論和稀疏矩陣研究十分廣泛[8] ,通過數學和圖像處理算法上的改進,可以大大減少采樣次數。更進一步地,實際應用中探測的目標往往不是靜態的,很容易造成運動模糊,所以如何獲得運動目標的高分辨圖像也是一個研究內容[9]。

參考文獻

1、Pittman T. B., Shih Y. H., Strekalov D. V., et al.. Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement[J]. Physical Review A,1995,52(5).

2、Ayman F. Abouraddy, Bahaa E. A. Saleh, Alexander V. Sergienko, et al.. Role of entanglement in two-photon imaging[J]. Phys. Rev. Lett,2001,87(12).

3、Bennink Ryan S. , Bentley Sean J., Boyd Robert W.. "Two-photon" coincidence imaging with a classical source[J]. Phys. Rev. Lett,2002,89(11).

4、Ferri F., Magatti D., Gatti A., et al.. High-resolution ghost image and ghost diffraction experiments with thermal light[J].Phys. Rev. Lett,2005,94(18).

5、林潔,程靜. 探測器大小與散焦對無透鏡鬼衍射的影響[J].光學學報,2010,30(10).

6、劉雪峰,姚旭日,李明飛,等. 強度漲落在熱光鬼成像中的作用[J].物理學報,2013,62(18).

7、李恩榮,陳明亮,龔文林,等. 鬼成像系統的互信息[J]. 光學學報,2013,33(12).

8、陳明亮,李恩榮,王慧,等. 基於稀疏陣贗熱光系統的強度關聯成像研究[J]. 光學學報,2012,32(5).

9、張聰,龔文林,韓申生. 運動目標強度關聯成像及其在遙感探測中的應用[J]. 中國激光,2012,39(12).


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