鬼成像概述
鬼成像是近年来引起广泛研究的一种成像技术。与传统成像光学不同的是,在鬼成像中,光源被分成两束,一束光照在物体上,并通过一个没有空间分辨能力的桶探测器接收透过物体的总光强,另一束光直接被一个具有空间分辨能力的探测器探测,将两个探测器的信号进行二阶关联运算即可得到物体的像,其测量装置如图1所示。从光源发出的光被分束器分成两部分:一部分经过参考系统,另一部分经过信号系统。光场强度关联测量由两个系统输出平面上的探测器分别记录强度,输入关联器作乘法运算,再对乘积进行多次平均后得到强度关联分布。
中科院上海光机所副研究员、“鬼成像”X光显微镜研究的主要负责人喻虹解释说:传统光学成像是基于光的分布测量,而“鬼成像”则是基于光波能量的关联测量。确切地说,不是“看见”,而是“算出”。整个世界就是一个由无数光子组成的量子场,这些光子如潮水般不停涨落,只是不为我们的肉眼所见罢了。最重要的是,量子场中每一个光子的状态都能被精确计算。因此,通过对这些光子能量的探测和计算,便能为每一个成像目标反演出我们需要的图像。
鬼成像发展
纠缠光源阶段
上世纪80年代,前苏联学者Klyshko根据自发参量下转换光子对的纠缠行为,提出了“鬼”成像方案。
1995年,美国马里兰大学的史砚华小组利用自发参量下转换(SPDC)过程产生的纠缠光子对,结合符合测量技术,实现了一种关联成像和干涉现象,即所谓的“鬼 ”成像和“鬼”干涉。
2001年,波斯顿大学的一个小组率先发表评论:“纠缠是产生量子成像的重要前提条件,经典光不能模拟这种现象”。
经典激光实验
热光源阶段
2002年经典光源的鬼成像就被罗切斯特大学的Bennink实现了,他们使用的是脉冲激光。
2004年,意大利的Lugiato小组率先从理论上提出了热光源的鬼成像方案。
2005年,史砚华小组完成第一个热光鬼成像实验,他们使用的是激光入射毛玻璃产生的赝热光。同年,中科院物理所的吴令安小组利用铷灯首次实现了真热光源的鬼成像。
鬼成像应用
应用前景
鬼成像是一种利用光场的二阶相干性实现成像的技术。不同于传统成像,热光鬼成像的光路中不需要成像透镜,并且具有穿透云雾和湍流干扰的能力,这些使鬼成像具有了广阔的应用前景。
应用实例
军事:当对下方无法准确观测时,鬼成像技术能够帮助直升机判断投弹目标。
探测:鬼成像能避免云雾和烟等使常规成像技术无能为力的气象条件的干扰,从而获得更清晰的图像。
搜救:在搜救行动中,也能利用到鬼成像技术。即可以采用非相干X射线源,来实现具有纳米分辨率的衍射成像 。
医疗:鬼成像技术应用到医疗上,也可使我国医疗水平向前迈出坚实的一步。
鬼成像未来
面临的难点
基于鬼成像的成像特点,使得鬼成像的成像速度与成像质量远不如传统成像
由于热光源更易获得,并且数据处理更加简单快速,热光鬼成像更加适合于在实际应用中使用。然而,热光鬼成像的一个关键缺点在于成像质量较差。
鬼成像技术是一种以双光子纠缠理论为基础而发展的新兴成像技术,它将光源分为两束,一束探测物体后被接收,另一束直接被接收,再将两个接收器上的数据进行二阶关联运算后得到物体的像。
由于它的双向接收光源的特点,它可以很好地完成对某些用经典光学成像技术无法进行成像的物体(如被遮蔽的物体)成像的任务。在军事、探测等方面具
它经历了由纠缠光源到热光源的发展,逐步趋向于便捷,但在成像的速度和质量上仍有较大的发展空间。
鬼成像技术拥有广阔的应用前景,相信在越来越多的有志之士的努力下,它会不断发展,趋于成熟!
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