鬼成像的成像质量探究

刘籍元

（长春理工大学，吉林 长春 130000）

0 引 言

成像是一种基于光学技术，以样本为依据为生物体造影的技术。成像技术在现实生活中的应用较为普遍，如照相、显微技术以及医学领域的B超和核磁共振等。随着光学成像技术的发展，20世纪八九十年代，光学成像技术领域迎来新成员，鬼成像光学现象出现。经过不断的实验研究，鬼成像技术在空间领域的应用得到学术界的广泛认同［1］。鬼成像技术具有传统光学成像所不具备的特性，突破了传统光学成像的局部限制，将成像技术提升到一个新的高度。

1 鬼成像技术

鬼成像技术与传统光学成像原理不同。传统的光学成像方法中，经过成像生物体透射或者反射出来的光线被成像探测器感知进而成像，技术关键点在于被成像物体或成像生物体样本、透射或者折射光线以及感知探测器。其中，被成像物体或成像生物体样本必须存在，这是传统光学成像不可或缺的必要条件［2］。但鬼成像技术不同，其可以在相机获取不到被成像物体或成像生物体样本的情况下，通过双光子探测恢复被成像物体的信息，进而成像。简而言之，鬼成像技术不需要被成像物体或成像生物体样本存在，但其仍然与光线息息相关。因此，鬼成像技术是光学成像技术的飞跃，它将光学成像技术和光学研究引领到技术发展的下一阶段。

图1 鬼成像原理图

鬼成像技术不要求光线必须通过被成像物体即可成像，其原理如图1所示。计算鬼成像的实验装置如图2所示。原始光线（或称光源）经过透镜后被分成两束光线，其中一束光线在经过物体（或不经过物体）后，被探测器（图2中装置4）捕捉，得到一个数据值；而另一束光线在传播后被一个具有空间分辨率的探测器捕捉，得到另一个测量数据。将两组数据经过进一步处理得到被测物体的像［3］。这就是鬼成像的基本光学原理。

2 鬼成像技术的研究现状及发展

20世 纪 三 四 十 年 代，Einstein、Rosen及Podolsky共同研究并发表了一篇学术论文，明确指出量子力学还存在许多疑问亟待探究，同时，他们在研究中提出了一个崭新的物理学概念双光子纠缠，并针对双光子纠缠理论给出了相应的实验对照。从此，双光子纠缠走进大众视野并被继续探究。20世纪80年代，基于双光子纠缠理论，双光子纠缠鬼成像面世［4］。我国鬼成像技术研究较晚。2009年，中科院上海光机所韩申生小组最早提出了利用二阶关联算法来提高光学系统中物镜分辨率的方案，并通过理论和实验证明了方案的正确性，实验使用的装置与鬼成像技术装置极为类似，不同的是两臂均为面阵探测器。2010年，中国科学院物理研究所吴令安小组首次实现了真热光源鬼成像，利用空心阴极灯在实验室条件下实现了鬼成像。真热光源相干时间短，实验实现难度较大，但在应用方面更具潜力。2014年，罗春伶从理论和实验两方面阐述了改善鬼成像图像质量的方法，具体研究了散焦长度、探测器尺寸、物体表面粗糙度、反射角以及整形光源等参数对鬼成像图像质量的影响［5］。近两年，长春理工大学研究人员提出了影响鬼成像成像质量的因素。国外的一些研究小组也针对鬼成像及鬼成像质量提出了诸多行之有效的解决方案。

3 鬼成像成像质量的影响因素

尽管鬼成像技术突破了传统光学成像的部分局限，但其成像质量仍受外界干扰。鬼成像的成像质量受诸多因素影响。

3.1 光场强度分布对鬼成像成像质量的影响

近几年，我国研究学者在探究光场强度分布对鬼成像成像质量的影响时发现，光场强度变化时，鬼成像成像质量会有明显变化，光场强度分布对鬼成像成像质量具有显著影响［6］。

根据鬼成像技术原理设计实验，将光场强度制约因素分解为两部分，一部分为一阶统计分布，另一部分为空间结构分布。实验将一阶统计分布与空间结构分布作为因变量，高斯分布（又称正态分布）和均匀分布作为自变量进行两两组合。研究结果如图3所示。图3中不同图片代表不同实验变量的成像图，目标图像为被实验物体的原始图像。图3（b）结果为两部分光场强度均为高斯分布的图像，即一阶统计分布与空间结构分布均为高斯分布；图3（c）光场强度的一阶统计分布为均匀分布而空间结构分布为高斯分布；图3（d）一阶统计分布为高斯分布而空间结构分布为均匀分布；图3（e）两种光场强度分布皆为均匀分布。从图像清晰度可知，图3（c）和图3（e）图像的清晰度和质量明显高于图3（b）和图3（d）图像，而且图3（c）和图3（e）图像的清晰度也有微小差别。从实验条件可知，图3（c）和图3（e）图像的一阶统计分布不变，而光场强度的空间结构分布有所变化，图3（c）的空间结构分布为高斯分布，图3（e）的空间结构分布为平均分布。由此可得出结论：光场强度的空间结构分布对鬼成像的成像质量有影响，但影响不大；一阶统计分布的变化对目标图像鬼成像的成像清晰度影响极大。因此，光场强度的一阶统计分布对鬼成像的成像质量有较大影响［7］。

3.2 光线自由传播后散斑场对鬼成像成像质量的影响

光线自由传播后，散斑场对鬼成像的成像质量也具有较大影响。仍以数据和图像为条件开展实验。将光线自由传播定义为自变量，保持该因素不变，调整自由传播后的传播距离。实验以0.5 m为间隔调整传播距离，研究图像的变化。为确保数据的准确性，进行多次实验。实验结果表明，随着传播距离的改变，散斑场发生明显变化，散斑场空间分布在高斯分布与均匀分布间发生改变，影响鬼成像结果的清晰度，进而影响成像质量。

4 结 语

国内外有关研究发现，鬼成像成像质量受诸多因素影响，如光线自由传播后的散斑场、光场强度分布以及光源特性等。本文研究发现，光场强度一阶统计分布对鬼成像成像质量影响较大，均匀分布与高斯分布也能影响鬼成像成像质量。鬼成像成像质量的影响因素还有很多，需相关学术研究人员积极探索，从而为鬼成像技术未来在各领域的有效应用奠定坚实基础。