鬼成像的成像質量探究

劉籍元

（長春理工大學，吉林 長春 130000）

0 引 言

成像是一種基于光學技術，以樣本為依據為生物體造影的技術。成像技術在現實生活中的應用較為普遍，如照相、顯微技術以及醫(yī)學領域的B超和核磁共振等。隨著光學成像技術的發(fā)展，20世紀八九十年代，光學成像技術領域迎來新成員，鬼成像光學現象出現。經過不斷的實驗研究，鬼成像技術在空間領域的應用得到學術界的廣泛認同［1］。鬼成像技術具有傳統(tǒng)光學成像所不具備的特性，突破了傳統(tǒng)光學成像的局部限制，將成像技術提升到一個新的高度。

1 鬼成像技術

鬼成像技術與傳統(tǒng)光學成像原理不同。傳統(tǒng)的光學成像方法中，經過成像生物體透射或者反射出來的光線被成像探測器感知進而成像，技術關鍵點在于被成像物體或成像生物體樣本、透射或者折射光線以及感知探測器。其中，被成像物體或成像生物體樣本必須存在，這是傳統(tǒng)光學成像不可或缺的必要條件［2］。但鬼成像技術不同，其可以在相機獲取不到被成像物體或成像生物體樣本的情況下，通過雙光子探測恢復被成像物體的信息，進而成像。簡而言之，鬼成像技術不需要被成像物體或成像生物體樣本存在，但其仍然與光線息息相關。因此，鬼成像技術是光學成像技術的飛躍，它將光學成像技術和光學研究引領到技術發(fā)展的下一階段。

圖1 鬼成像原理圖

鬼成像技術不要求光線必須通過被成像物體即可成像，其原理如圖1所示。計算鬼成像的實驗裝置如圖2所示。原始光線（或稱光源）經過透鏡后被分成兩束光線，其中一束光線在經過物體（或不經過物體）后，被探測器（圖2中裝置4）捕捉，得到一個數據值；而另一束光線在傳播后被一個具有空間分辨率的探測器捕捉，得到另一個測量數據。將兩組數據經過進一步處理得到被測物體的像［3］。這就是鬼成像的基本光學原理。

2 鬼成像技術的研究現狀及發(fā)展

20世 紀 三 四 十 年 代，Einstein、Rosen及Podolsky共同研究并發(fā)表了一篇學術論文，明確指出量子力學還存在許多疑問亟待探究，同時，他們在研究中提出了一個嶄新的物理學概念雙光子糾纏，并針對雙光子糾纏理論給出了相應的實驗對照。從此，雙光子糾纏走進大眾視野并被繼續(xù)探究。20世紀80年代，基于雙光子糾纏理論，雙光子糾纏鬼成像面世［4］。我國鬼成像技術研究較晚。2009年，中科院上海光機所韓申生小組最早提出了利用二階關聯(lián)算法來提高光學系統(tǒng)中物鏡分辨率的方案，并通過理論和實驗證明了方案的正確性，實驗使用的裝置與鬼成像技術裝置極為類似，不同的是兩臂均為面陣探測器。2010年，中國科學院物理研究所吳令安小組首次實現了真熱光源鬼成像，利用空心陰極燈在實驗室條件下實現了鬼成像。真熱光源相干時間短，實驗實現難度較大，但在應用方面更具潛力。2014年，羅春伶從理論和實驗兩方面闡述了改善鬼成像圖像質量的方法，具體研究了散焦長度、探測器尺寸、物體表面粗糙度、反射角以及整形光源等參數對鬼成像圖像質量的影響［5］。近兩年，長春理工大學研究人員提出了影響鬼成像成像質量的因素。國外的一些研究小組也針對鬼成像及鬼成像質量提出了諸多行之有效的解決方案。

3 鬼成像成像質量的影響因素

盡管鬼成像技術突破了傳統(tǒng)光學成像的部分局限，但其成像質量仍受外界干擾。鬼成像的成像質量受諸多因素影響。

3.1 光場強度分布對鬼成像成像質量的影響

近幾年，我國研究學者在探究光場強度分布對鬼成像成像質量的影響時發(fā)現，光場強度變化時，鬼成像成像質量會有明顯變化，光場強度分布對鬼成像成像質量具有顯著影響［6］。

根據鬼成像技術原理設計實驗，將光場強度制約因素分解為兩部分，一部分為一階統(tǒng)計分布，另一部分為空間結構分布。實驗將一階統(tǒng)計分布與空間結構分布作為因變量，高斯分布（又稱正態(tài)分布）和均勻分布作為自變量進行兩兩組合。研究結果如圖3所示。圖3中不同圖片代表不同實驗變量的成像圖，目標圖像為被實驗物體的原始圖像。圖3（b）結果為兩部分光場強度均為高斯分布的圖像，即一階統(tǒng)計分布與空間結構分布均為高斯分布；圖3（c）光場強度的一階統(tǒng)計分布為均勻分布而空間結構分布為高斯分布；圖3（d）一階統(tǒng)計分布為高斯分布而空間結構分布為均勻分布；圖3（e）兩種光場強度分布皆為均勻分布。從圖像清晰度可知，圖3（c）和圖3（e）圖像的清晰度和質量明顯高于圖3（b）和圖3（d）圖像，而且圖3（c）和圖3（e）圖像的清晰度也有微小差別。從實驗條件可知，圖3（c）和圖3（e）圖像的一階統(tǒng)計分布不變，而光場強度的空間結構分布有所變化，圖3（c）的空間結構分布為高斯分布，圖3（e）的空間結構分布為平均分布。由此可得出結論：光場強度的空間結構分布對鬼成像的成像質量有影響，但影響不大；一階統(tǒng)計分布的變化對目標圖像鬼成像的成像清晰度影響極大。因此，光場強度的一階統(tǒng)計分布對鬼成像的成像質量有較大影響［7］。

3.2 光線自由傳播后散斑場對鬼成像成像質量的影響

光線自由傳播后，散斑場對鬼成像的成像質量也具有較大影響。仍以數據和圖像為條件開展實驗。將光線自由傳播定義為自變量，保持該因素不變，調整自由傳播后的傳播距離。實驗以0.5 m為間隔調整傳播距離，研究圖像的變化。為確保數據的準確性，進行多次實驗。實驗結果表明，隨著傳播距離的改變，散斑場發(fā)生明顯變化，散斑場空間分布在高斯分布與均勻分布間發(fā)生改變，影響鬼成像結果的清晰度，進而影響成像質量。

4 結 語

國內外有關研究發(fā)現，鬼成像成像質量受諸多因素影響，如光線自由傳播后的散斑場、光場強度分布以及光源特性等。本文研究發(fā)現，光場強度一階統(tǒng)計分布對鬼成像成像質量影響較大，均勻分布與高斯分布也能影響鬼成像成像質量。鬼成像成像質量的影響因素還有很多，需相關學術研究人員積極探索，從而為鬼成像技術未來在各領域的有效應用奠定堅實基礎。