“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(cè)恢復(fù)待測(cè)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(chǎng)的強(qiáng)度的分布測(cè)量，關(guān)聯(lián)光學(xué)則基于光場(chǎng)的強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)測(cè)量，并且現(xiàn)有的成像技術(shù)主要利用光場(chǎng)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(chǎng)的二階關(guān)聯(lián)被認(rèn)為是一種強(qiáng)度波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)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(cè)以及3D打印等領(lǐng)域大展身手。

歷史

作為愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）佯謬爭(zhēng)端的一個(gè)結(jié)論，糾纏光子對(duì)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(guó)學(xué)者HanburyBrwon和Twiss完成的HBT干涉實(shí)驗(yàn)就和它有關(guān)。該實(shí)驗(yàn)不僅解決了傳統(tǒng)Michelson星體干涉儀等中大氣擾動(dòng)難題，而且第一次揭開(kāi)了量子光學(xué)的相干性的美麗面紗。

后來(lái)，俄國(guó)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(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用糾纏熱光源，通過(guò)復(fù)合計(jì)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(duì)糾纏光子“分手”后，一個(gè)光子遇到物體被一個(gè)沒(méi)有空間分辨能力的探測(cè)器接收，同時(shí)另一個(gè)光子也被探測(cè)器接收到，兩個(gè)探測(cè)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(duì)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(shí)間論說(shuō)莫衷一是。2002年，美國(guó)的Bennink等人打破了爭(zhēng)議，首次利用非量子糾纏光源演示了“鬼成像”實(shí)驗(yàn)。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(jì)光學(xué)和光場(chǎng)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(kāi)始在各個(gè)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(kāi)展起來(lái)。之所以稱之為“鬼成像”，是因?yàn)閷?duì)于其中任何一個(gè)探測(cè)器都不是對(duì)物體直接成像，但兩探測(cè)器的“相遇”卻又能得到物體的照片，就像兩個(gè)不相識(shí)的畫(huà)師閉著眼在畫(huà)布上肆意涂鴉，卻合作畫(huà)出了一個(gè)人的精確肖像。這種現(xiàn)象讓人們覺(jué)得不可思議，感覺(jué)似乎有幽靈出沒(méi)。

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(guò)光學(xué)系統(tǒng)，成立一個(gè)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(guò)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(chǎng)，照射到物體后的反射或透射信號(hào)被桶探測(cè)器（只探測(cè)透過(guò)物體的總光強(qiáng)，無(wú)任何分辨率）記錄，沒(méi)有照射到目標(biāo)物體的散斑場(chǎng)同時(shí)在參考臂被CCD相機(jī)記錄，和桶探測(cè)器D1記錄的信號(hào)一起構(gòu)成一次測(cè)量，經(jīng)過(guò)N次采樣后就能夠得到物體的圖像。舉個(gè)例子，首先在室外安置好探測(cè)器D1，然后在室內(nèi)通過(guò)探測(cè)器D2對(duì)該光源一段時(shí)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(shì)

鬼成像這種間接成像的獨(dú)特方法，使得它在實(shí)際應(yīng)用中有著傳統(tǒng)成像所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。由于桶探測(cè)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(cè)器的每個(gè)像素上，提高信噪比，因此鬼成像可以實(shí)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(shí)現(xiàn)低劑量下的X射線鬼成像。

實(shí)驗(yàn)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(guò)程中的輻射劑量，如下圖所示。該工作首次在實(shí)驗(yàn)上用一種簡(jiǎn)單的方式驗(yàn)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(shí)用化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于鬼成像技術(shù)能夠透過(guò)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(duì)X光成像中相干性要求高以及透鏡研制困難的問(wèn)題，“鬼成像”利用非相干光源實(shí)現(xiàn)了無(wú)透鏡的衍射成像，使得小型化的臺(tái)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(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.“鬼成像”雷達(dá)

從成像的角度來(lái)看，雷達(dá)是通過(guò)接收目標(biāo)的回波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)成像的系統(tǒng)?！肮沓上瘛崩走_(dá)通過(guò)利用目標(biāo)回波信號(hào)與出射信號(hào)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(jì)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(shí)具備超分辨能力。打個(gè)比方，傳統(tǒng)成像是點(diǎn)到點(diǎn)的成像，視場(chǎng)范圍100×100個(gè)點(diǎn)便需要測(cè)量10000個(gè)數(shù)據(jù)，而有效信息卻可能只有中間的30×30個(gè)點(diǎn)，利用“鬼成像”雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，能有效避免無(wú)效測(cè)量，僅需遠(yuǎn)小于10000個(gè)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(cè)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(duì)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(guò)將高度信息的轉(zhuǎn)換實(shí)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(duì)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(jiǎng)工作雖然打破了衍射受限的障礙，但由于存在時(shí)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(duì)生物組織的損傷問(wèn)題，目前的超分辨率熒光納米顯微成像技術(shù)仍難以實(shí)時(shí)觀測(cè)細(xì)胞內(nèi)納米尺度快速變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

審核編輯：黃飛

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