“鬼成像”究竟是什么鬼？

作者：劉震濤（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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你聽說過“鬼成像”么？

如何成像？成的是物體的像還是“鬼影”？它究竟是什么鬼？

圖片來源：覓元素

翻開“鬼成像”的戶口本，這家伙來頭有點(diǎn)嚇人：乳名“量子成像”，別名“強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像”。相信很多人一聽到“量子”兩個字就怕怕，太難理解了，以至于都被一眾玄學(xué)（量子算命、量子閱讀、量子管理學(xué)……）盯上，借來忽悠咱老百姓。大家放心，咱們“鬼成像”是正經(jīng)出身，是被科學(xué)界權(quán)威認(rèn)證的。

“鬼成像”已經(jīng)在雷達(dá)、遙感成像、照相機(jī)、X光成像、中子成像、電子成像、冷原子成像、聲學(xué)探測以及3D打印等領(lǐng)域大展身手。近日，美國光學(xué)學(xué)會報道，亞毫秒內(nèi)的細(xì)胞生命活動乃至病毒的運(yùn)動在該技術(shù)下將可能會變得清晰可見。連在熒光顯微成像領(lǐng)域也要搞事情，“鬼成像”真是哪里都要刷刷存在感。

“鬼成像”的“前世今生”

“鬼成像”最早可以追溯到上世紀(jì)五六十年代，英國學(xué)者Hanbury Brwon 和Twiss完成的HBT干涉實驗就和它有關(guān)。該實驗不僅解決了傳統(tǒng)Michelson星體干涉儀等中大氣擾動難題，而且第一次揭開了量子光學(xué)的相干性的美麗面紗。

圖片來源：搜狐網(wǎng)

上世紀(jì)九十年代中期，隨著“幽靈”光源——量子糾纏光源的成功制備，“鬼成像”以“量子成像”的面貌再次亮相。一對糾纏光子“分手”后，一個光子遇到物體被一個沒有空間分辨能力的探測器接收，同時另一個光子也被探測器接收到，兩個探測器結(jié)果“相遇”后就可以得到物體的照片。之所以稱之為“鬼成像”，是因為對于其中任何一個探測器都不是對物體直接成像，但兩探測器的“相遇”卻又能得到物體的照片，就像兩個不相識的畫師閉著眼在畫布上肆意涂鴉，卻合作畫出了一個人的精確肖像。這種現(xiàn)象讓人們覺得不可思議，感覺似乎有幽靈出沒。

“鬼成像”的“量子成像”面具，導(dǎo)致部分學(xué)者認(rèn)為量子糾纏是必不可少的，而另一部分學(xué)者則認(rèn)為量子糾纏并非絕對需要的。大量學(xué)者就“鬼成像”的真面貌進(jìn)行了大討論，一時間論說莫衷一是。2002年，美國的Bennink等人打破了爭議，首次利用非量子糾纏光源演示了“鬼成像”實驗。隨后，中科院上海光機(jī)所韓申生課題組和意大利A. Gatti等人分別從經(jīng)典的統(tǒng)計光學(xué)和光場相干性理論出發(fā)，理論上完成了經(jīng)典熱光的“鬼成像”理論分析。至此，“鬼成像”不再局限于“量子成像”，開始在各個應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。

“鬼成像”，都可以成哪些“像”？

X光“鬼成像”技術(shù)

針對X光成像中相干性要求高以及透鏡研制困難的問題，“鬼成像”利用非相干光源實現(xiàn)了無透鏡的衍射成像，使得小型化的臺式X光衍射成像成為了可能，大大推進(jìn)了X光在納米技術(shù)、生命科學(xué)和遠(yuǎn)程探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖源：DAVID MACK/SCIENCE SOURCE

臺式化X光“鬼成像”設(shè)備（圖源：中科院上海光機(jī)所）

“鬼成像”雷達(dá)

從成像的角度來看，雷達(dá)是通過接收目標(biāo)的回波信號來實現(xiàn)成像的系統(tǒng)。 “鬼成像”雷達(dá)通過利用目標(biāo)回波信號與出射信號的關(guān)聯(lián)，獲得了目標(biāo)的空間三維圖像信息。

此外，不同于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)，“鬼成像”雷達(dá)利用圖像的統(tǒng)計性質(zhì)可以在大幅度減少采樣數(shù)目、提高成像速度的同時具備超分辨能力。打個比方，傳統(tǒng)成像是點(diǎn)到點(diǎn)的成像，視場范圍100×100個點(diǎn)便需要測量10000個數(shù)據(jù)，而有效信息卻可能只有中間的30×30個點(diǎn)，利用“鬼成像”雷達(dá)進(jìn)行測量，能有效避免無效測量，僅需遠(yuǎn)小于10000個數(shù)據(jù)便能獲得完整信息。

作為一種全新的光學(xué)遙感成像技術(shù)，“鬼成像”雷達(dá)既具有傳統(tǒng)激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測能力，又具有閃光成像雷達(dá)的高圖像分辨率。

另外，把鬼成像裝置（a）安裝在飛機(jī)下面，對地面目標(biāo)（b）進(jìn)行成像，獲得的結(jié)果如圖（c）所示，不同的顏色代表了目標(biāo)的高度信息，通過將高度信息的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)目標(biāo)三維成像的目的。（圖源：Han S , Yu H , Shen X , et al. Applied Sciences, 2018, 8(8).）

“鬼成像”相機(jī)

“鬼成像”相機(jī)除了能夠像傳統(tǒng)相機(jī)一樣記錄目標(biāo)的空間信息，還能夠單次拍照獲取目標(biāo)的光譜、偏振等光學(xué)維度的信息。這次，“鬼成像”在熒光顯微成像領(lǐng)域大顯身手，背后依靠的就是“鬼成像”相機(jī)技術(shù)。

通過“鬼成像”相機(jī)拍攝的上海光機(jī)所園區(qū)照片（圖源：中科院上海光機(jī)所）

活細(xì)胞成像對理解生命機(jī)制與運(yùn)行特征具有重要意義，光學(xué)顯微鏡是進(jìn)行活細(xì)胞成像的首選工具，但是其空間分辨能力受到成像鏡頭的限制，只能達(dá)到200~300納米。以受激發(fā)射耗竭顯微鏡（STED）、結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（SIM）、光激活定位顯微技術(shù)（PALM）、隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微鏡（STORM）等為代表的諾貝爾獎工作雖然打破了衍射受限的障礙，但由于存在時間分辨能力和空間分辨能力之間的制約，以及大功率照明對生物組織的損傷問題，目前的超分辨率熒光納米顯微成像技術(shù)仍難以實時觀測細(xì)胞內(nèi)納米尺度快速變化的動力學(xué)過程。

圖源：百度圖庫

為了解決上述問題，將“鬼成像”相機(jī)應(yīng)用于基于單分子定位技術(shù)的超分辨顯微成像技術(shù)中，數(shù)量級地減少了重構(gòu)超分辨圖像所需的采樣幀數(shù)，大大提高了成像實時性。

“鬼成像”的未來之路

結(jié)合最新的硬件探測技術(shù)，下一步有望實現(xiàn)記錄毫秒或者亞毫秒時間尺度、幾十納米空間尺度的細(xì)胞內(nèi)生命活動。同時，這項超分辨成像技術(shù)有望在遙感成像、腦科學(xué)、生命科學(xué)、病毒病理、微生物等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。世界那么大，希望“鬼成像”在新的領(lǐng)域繼續(xù)搞鬼，展現(xiàn)新的技術(shù)魅力。