鬼成像的成像質(zhì)量探究

劉籍元

（長春理工大學(xué)，吉林 長春 130000）

0 引 言

成像是一種基于光學(xué)技術(shù)，以樣本為依據(jù)為生物體造影的技術(shù)。成像技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用較為普遍，如照相、顯微技術(shù)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的B超和核磁共振等。隨著光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)八九十年代，光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域迎來新成員，鬼成像光學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)研究，鬼成像技術(shù)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)同［1］。鬼成像技術(shù)具有傳統(tǒng)光學(xué)成像所不具備的特性，突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像的局部限制，將成像技術(shù)提升到一個新的高度。

1 鬼成像技術(shù)

鬼成像技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)成像原理不同。傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法中，經(jīng)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(jìn)而成像，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)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(xué)成像不可或缺的必要條件［2］。但鬼成像技術(shù)不同，其可以在相機(jī)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(fù)被成像物體的信息，進(jìn)而成像。簡而言之，鬼成像技術(shù)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(guān)。因此，鬼成像技術(shù)是光學(xué)成像技術(shù)的飛躍，它將光學(xué)成像技術(shù)和光學(xué)研究引領(lǐng)到技術(shù)發(fā)展的下一階段。

圖1 鬼成像原理圖

鬼成像技術(shù)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(jì)算鬼成像的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。原始光線（或稱光源）經(jīng)過透鏡后被分成兩束光線，其中一束光線在經(jīng)過物體（或不經(jīng)過物體）后，被探測器（圖2中裝置4）捕捉，得到一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。將兩組數(shù)據(jù)經(jīng)過進(jìn)一步處理得到被測物體的像［3］。這就是鬼成像的基本光學(xué)原理。

2 鬼成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

20世 紀(jì) 三 四 十 年 代，Einstein、Rosen及Podolsky共同研究并發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)論文，明確指出量子力學(xué)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(xué)概念雙光子糾纏，并針對雙光子糾纏理論給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對照。從此，雙光子糾纏走進(jìn)大眾視野并被繼續(xù)探究。20世紀(jì)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(shù)研究較晚。2009年，中科院上海光機(jī)所韓申生小組最早提出了利用二階關(guān)聯(lián)算法來提高光學(xué)系統(tǒng)中物鏡分辨率的方案，并通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了方案的正確性，實(shí)驗(yàn)使用的裝置與鬼成像技術(shù)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(xué)院物理研究所吳令安小組首次實(shí)現(xiàn)了真熱光源鬼成像，利用空心陰極燈在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了鬼成像。真熱光源相干時間短，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)難度較大，但在應(yīng)用方面更具潛力。2014年，羅春伶從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面闡述了改善鬼成像圖像質(zhì)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(shù)對鬼成像圖像質(zhì)量的影響［5］。近兩年，長春理工大學(xué)研究人員提出了影響鬼成像成像質(zhì)量的因素。國外的一些研究小組也針對鬼成像及鬼成像質(zhì)量提出了諸多行之有效的解決方案。

3 鬼成像成像質(zhì)量的影響因素

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

3.1 光場強(qiáng)度分布對鬼成像成像質(zhì)量的影響

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

根據(jù)鬼成像技術(shù)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將光場強(qiáng)度制約因素分解為兩部分，一部分為一階統(tǒng)計(jì)分布，另一部分為空間結(jié)構(gòu)分布。實(shí)驗(yàn)將一階統(tǒng)計(jì)分布與空間結(jié)構(gòu)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(jìn)行兩兩組合。研究結(jié)果如圖3所示。圖3中不同圖片代表不同實(shí)驗(yàn)變量的成像圖，目標(biāo)圖像為被實(shí)驗(yàn)物體的原始圖像。圖3（b）結(jié)果為兩部分光場強(qiáng)度均為高斯分布的圖像，即一階統(tǒng)計(jì)分布與空間結(jié)構(gòu)分布均為高斯分布；圖3（c）光場強(qiáng)度的一階統(tǒng)計(jì)分布為均勻分布而空間結(jié)構(gòu)分布為高斯分布；圖3（d）一階統(tǒng)計(jì)分布為高斯分布而空間結(jié)構(gòu)分布為均勻分布；圖3（e）兩種光場強(qiáng)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(zhì)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(shí)驗(yàn)條件可知，圖3（c）和圖3（e）圖像的一階統(tǒng)計(jì)分布不變，而光場強(qiáng)度的空間結(jié)構(gòu)分布有所變化，圖3（c）的空間結(jié)構(gòu)分布為高斯分布，圖3（e）的空間結(jié)構(gòu)分布為平均分布。由此可得出結(jié)論：光場強(qiáng)度的空間結(jié)構(gòu)分布對鬼成像的成像質(zhì)量有影響，但影響不大；一階統(tǒng)計(jì)分布的變化對目標(biāo)圖像鬼成像的成像清晰度影響極大。因此，光場強(qiáng)度的一階統(tǒng)計(jì)分布對鬼成像的成像質(zhì)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(zhì)量的影響

光線自由傳播后，散斑場對鬼成像的成像質(zhì)量也具有較大影響。仍以數(shù)據(jù)和圖像為條件開展實(shí)驗(yàn)。將光線自由傳播定義為自變量，保持該因素不變，調(diào)整自由傳播后的傳播距離。實(shí)驗(yàn)以0.5 m為間隔調(diào)整傳播距離，研究圖像的變化。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果的清晰度，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。

4 結(jié) 語

國內(nèi)外有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鬼成像成像質(zhì)量受諸多因素影響，如光線自由傳播后的散斑場、光場強(qiáng)度分布以及光源特性等。本文研究發(fā)現(xiàn)，光場強(qiáng)度一階統(tǒng)計(jì)分布對鬼成像成像質(zhì)量影響較大，均勻分布與高斯分布也能影響鬼成像成像質(zhì)量。鬼成像成像質(zhì)量的影響因素還有很多，需相關(guān)學(xué)術(shù)研究人員積極探索，從而為鬼成像技術(shù)未來在各領(lǐng)域的有效應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。