光学基础知识大讲堂

——第4期：什么是“鬼”成像？

何卓铭

“鬼”成像( ghost imaging)，又称关联成像或者双光子成像，是一种基于光场涨落的量子或者经典关联特性，通过测量参考光场与目标探测光场之间的强度关联函数可以非局域地获取目标图像信息的新型成像技术。
      对于上面这句定义，可以提炼3个非常重要的关键词：“鬼”，表示鬼成像区别于一般的经典光学成像；“非局域地”，爱因斯坦最不喜欢的超距作用，可以不受光速的限制，是量子光学区别于经典理论的重要特征；新型成像技术，表明还是一种成像技术，图像的成像分辨率和对比度仍然是其最为重要的技术目标。
      接下来，从原理上来详细讲解什么是鬼成像。

原理

首先，回顾下经典成像是什么样子（如图1），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。

图1 经典成像（图片来源于网络）

“鬼”成像原理如图2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，仿佛幽灵般洞察着外面的一些事物，这也就是它为什么被称为“鬼”成像的原因所在。

图2 鬼成像系统原理图

鬼成像发展史

前面讲了第一个关键词“鬼”，接下来再讲讲第二个关键词，“鬼”成像与量子光学的关系。

• 1995年，美国马里兰大学史砚华小组利用自发参量下转换产生的纠缠光子对，首次在实验上观察到鬼成像[1]；

• 2001年，波斯顿大学A. F. Abouraddy等指出量子纠缠是实现量子成像的先决条件，由此引发了人们用经典光源实现鬼成像的实验研究和理论探讨[2]。

鬼成像首先是利用具有纠缠特性的光子对完成的，所以早期很多科学家错误地认为只有具有量子的纠缠特性，才能实现鬼成像，并认为这是一种量子效应，直到2002年，情况才发生了很大的转变。

• 2002年，R. S. Bennink等利用随机指向的激光束首次实现了热光的鬼成像，其理论是基于光场的二阶强度关联函数[3]。

很快，科学家就对经典热光源产生鬼成像给出了理论解释。此后，大家对鬼成像的实现光源有了比较一致的观点，认为量子纠缠光源和经典的热光源都可以用来实现鬼成像。

• 2002~2005年，许多课题组先后用赝热光源实现了鬼成像，如把激光照射到旋转着的毛玻璃上获得散斑场来进行实验[4]。

由于热光源更加容易获得，而且数据处理相对也简单，因此热光鬼成像在实际应该用更加广泛。至此，在量子成像（鬼成像）的发展过程中，人们发现量子纠缠不是实现鬼成像的必要条件，而是基于经典光场的强度（即光强）时空涨落和关联。

研究方向及应用

经过二十几年的发展，鬼成像技术已经越来越成熟，而且更多地应用在军事、雷达探测等领域。作为一种新型的成像技术，成像分辨率和对比度（图像质量）依然是其研究的主要目标[5-7]。另外前面提到，鬼成像要经过N次采样才能获得图像，而一般都要上万次采样才能得到清晰的像，因此如何减少采样次数获得高质量图像也是重要的研究方向，目前基于压缩感知理论和稀疏矩阵研究十分广泛[8] ，通过数学和图像处理算法上的改进，可以大大减少采样次数。更进一步地，实际应用中探测的目标往往不是静态的，很容易造成运动模糊，所以如何获得运动目标的高分辨图像也是一个研究内容[9]。

参考文献

1、Pittman T. B., Shih Y. H., Strekalov D. V., et al.. Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement[J]. Physical Review A，1995，52（5）.

2、Ayman F. Abouraddy, Bahaa E. A. Saleh, Alexander V. Sergienko, et al.. Role of entanglement in two-photon imaging[J]. Phys. Rev. Lett，2001，87（12）.

3、Bennink Ryan S. , Bentley Sean J., Boyd Robert W.. "Two-photon" coincidence imaging with a classical source[J]. Phys. Rev. Lett，2002，89（11）.

4、Ferri F., Magatti D., Gatti A., et al.. High-resolution ghost image and ghost diffraction experiments with thermal light[J].Phys. Rev. Lett，2005，94（18）.

5、林洁，程静. 探测器大小与散焦对无透镜鬼衍射的影响[J].光学学报，2010，30（10）.

6、刘雪峰，姚旭日，李明飞，等. 强度涨落在热光鬼成像中的作用[J].物理学报，2013，62（18）.

7、李恩荣，陈明亮，龚文林，等. 鬼成像系统的互信息[J]. 光学学报，2013，33（12）.

8、陈明亮，李恩荣，王慧，等. 基于稀疏阵赝热光系统的强度关联成像研究[J]. 光学学报，2012，32（5）.

9、张聪，龚文林，韩申生. 运动目标强度关联成像及其在遥感探测中的应用[J]. 中国激光，2012，39（12）.