“鬼成像”原理你知道吗？

“鬼成像”（Ghost Imaging）又称双光子成像（Two-photon Imaging）或关联成像（Correlated Imaging），是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。

传统的光学观察是基于光场的强度的分布测量，关联光学则基于光场的强度的关联测量，并且现有的成像技术主要利用光场的一阶关联信息（强度与位相）。而经典“鬼成像”利用的光场的二阶关联被认为是一种强度波动的统计相关。“鬼成像”技术已经在雷达、遥感成像、照相机、X光成像、中子成像、电子成像、冷原子成像、荧光显微成像、声学探测以及3D打印等领域大展身手。

历史

作为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）佯谬争端的一个结论，纠缠光子对的空间非定域特性得到了广泛的认同。这种奇特的性质引发了与量子信息相关的研究。“鬼成像”最早可以追溯到上世纪五六十年代，英国学者HanburyBrwon和Twiss完成的HBT干涉实验就和它有关。该实验不仅解决了传统Michelson星体干涉仪等中大气扰动难题，而且第一次揭开了量子光学的相干性的美丽面纱。

后来，俄国科学家采用同样的手段，使得物体的边缘衍射条纹，呈现在并不包含物体的光路上。1993年巴西科学家通过实验发现，采用纠缠热光源，通过复合计数，能使原本由于退相干而消失的杨氏干涉条纹，重新呈现在包含杨氏双缝的光路上。

上世纪九十年代中期，随着“幽灵”光源——量子纠缠光源的成功制备，“鬼成像”以“量子成像”的面貌再次亮相。一对纠缠光子“分手”后，一个光子遇到物体被一个没有空间分辨能力的探测器接收，同时另一个光子也被探测器接收到，两个探测器结果“相遇”后就可以得到物体的照片。

“鬼成像”的“量子成像”面具，导致部分学者认为量子纠缠是必不可少的，而另一部分学者则认为量子纠缠并非绝对需要的。大量学者就“鬼成像”的真面貌进行了大讨论，一时间论说莫衷一是。2002年，美国的Bennink等人打破了争议，首次利用非量子纠缠光源演示了“鬼成像”实验。随后，中科院上海光机所韩申生课题组和意大利A.Gatti等人分别从经典的统计光学和光场相干性理论出发，理论上完成了经典热光的“鬼成像”理论分析。至此，“鬼成像”不再局限于“量子成像”，开始在各个应用领域大放异彩。

此后，有关非局域量子成像的研究迅速开展起来。之所以称之为“鬼成像”，是因为对于其中任何一个探测器都不是对物体直接成像，但两探测器的“相遇”却又能得到物体的照片，就像两个不相识的画师闭着眼在画布上肆意涂鸦，却合作画出了一个人的精确肖像。这种现象让人们觉得不可思议，感觉似乎有幽灵出没。

原理

首先，回顾下经典成像，如下图所示。物体发出的光，经过光学系统，成立一个倒立的虚像，例如人眼、照相机、透镜等成像，都属于经典成像范畴，主要包括光源、物体、光学系统三部分。

“鬼成像”原理则如下图所示，光源经过随机掩模（如旋转的毛玻璃）后被分光镜分为物臂和参考臂两束光，在物臂传播到毛玻璃生成散斑场，照射到物体后的反射或透射信号被桶探测器（只探测透过物体的总光强，无任何分辨率）记录，没有照射到目标物体的散斑场同时在参考臂被CCD相机记录，和桶探测器D1记录的信号一起构成一次测量，经过N次采样后就能够得到物体的图像。举个例子，首先在室外安置好探测器D1，然后在室内通过探测器D2对该光源一段时间的采样后，就能够得到外面的图像，完全不需要直接看到外面的任何信息。

优势

鬼成像这种间接成像的独特方法，使得它在实际应用中有着传统成像所没有的优势。由于桶探测器只用于收集物体的所有透射光或背向散射光，不具有空间分辨能力，因此鬼成像能够抵抗云雾、烟和雾霾等气象条件的干扰，从而获得更为清晰的图像。除此以外，这种收集所有物光的成像方式还可以避免光能量分散在面阵式探测器的每个像素上，提高信噪比，因此鬼成像可以实现极弱光照下的成像。当热，也可以把这种成像方式应用于具有辐射伤害的X射线成像中，实现低剂量下的X射线鬼成像。

实验结果表明，和传统透射成像方式相比，在弱光的情况下利用鬼成像的方式可以获得比传统透视成像更高的信噪比。在获得相同信噪比的情况下，利用鬼成像的方法可以大幅降低成像过程中的辐射剂量，如下图所示。该工作首次在实验上用一种简单的方式验证了超低辐射鬼成像的可行性，为后续的三维X射线鬼成像以及生物医疗上的实用化应用打下了坚实的基础。

由于鬼成像技术能够透过散射介质，因此在遥感，监控等方面，也取得了非常显著的科学成果。

发展

1.“鬼成像”X光

针对X光成像中相干性要求高以及透镜研制困难的问题，“鬼成像”利用非相干光源实现了无透镜的衍射成像，使得小型化的台式X光衍射成像成为了可能，大大推进了X光在纳米技术、生命科学和远程探测等领域的应用。

2.“鬼成像”雷达

从成像的角度来看，雷达是通过接收目标的回波信号来实现成像的系统。“鬼成像”雷达通过利用目标回波信号与出射信号的关联，获得了目标的空间三维图像信息。

不同于传统的成像系统，“鬼成像”雷达利用图像的统计性质可以在大幅度减少采样数目、提高成像速度的同时具备超分辨能力。打个比方，传统成像是点到点的成像，视场范围100×100个点便需要测量10000个数据，而有效信息却可能只有中间的30×30个点，利用“鬼成像”雷达进行测量，能有效避免无效测量，仅需远小于10000个数据便能获得完整信息。作为一种全新的光学遥感成像技术，“鬼成像”雷达既具有传统激光雷达的远距离探测能力，又具有闪光成像雷达的高图像分辨率。

如下图所示，把鬼成像装置（a）安装在飞机下面，对地面目标（b）进行成像，获得的结果如图（c）所示，不同的颜色代表了目标的高度信息，通过将高度信息的转换实现目标三维成像的目的。

3.“鬼成像”相机

“鬼成像”相机除了能够像传统相机一样记录目标的空间信息，还能够单次拍照获取目标的光谱、偏振等光学维度的信息。“鬼成像”在荧光显微成像领域大显身手，背后依靠的就是“鬼成像”相机技术。

活细胞成像对理解生命机制与运行特征具有重要意义，光学显微镜是进行活细胞成像的首选工具，但是其空间分辨能力受到成像镜头的限制，只能达到200~300纳米。以受激发射耗竭显微镜（STED）、结构光照明显微镜（SIM）、光激活定位显微技术（PALM）、随机光学重构显微镜（STORM）等为代表的诺贝尔奖工作虽然打破了衍射受限的障碍，但由于存在时间分辨能力和空间分辨能力之间的制约，以及大功率照明对生物组织的损伤问题，目前的超分辨率荧光纳米显微成像技术仍难以实时观测细胞内纳米尺度快速变化的动力学过程。

审核编辑：黄飞