作者|刘震涛
来源|科学大院ID:kexuedayuan
你听说过“鬼成像”么？
如何成像？成的是物体的像还是“鬼影”？它究竟是什么鬼？
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翻开“鬼成像”的户口本，这家伙来头有点吓人：乳名“量子成像”，别名“强度关联成像”。相信很多人一听到“量子”两个字就怕怕，太难理解了，以至于都被一众玄学（量子算命、量子阅读、量子管理学……）盯上，借来忽悠咱老百姓。大家放心，咱们“鬼成像”是正经出身，是被科学界权威认证的。
“鬼成像”已经在雷达、遥感成像、照相机、X光成像、中子成像、电子成像、冷原子成像、声学探测以及3D打印等领域大展身手。近日，美国光学学会报道，亚毫秒内的细胞生命活动乃至病毒的运动在该技术下将可能会变得清晰可见。连在荧光显微成像领域也要搞事情，“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纪五六十年代，英国学者HanburyBrwon和Twiss完成的HBT干涉实验就和它有关。该实验不仅解决了传统Michelson星体干涉仪等中大气扰动难题，而且第一次揭开了量子光学的相干性的美丽面纱。
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上世纪九十年代中期，随着“幽灵”光源——量子纠缠光源的成功制备，“鬼成像”以“量子成像”的面貌再次亮相。一对纠缠光子“分手”后，一个光子遇到物体被一个没有空间分辨能力的探测器接收，同时另一个光子也被探测器接收到，两个探测器结果“相遇”后就可以得到物体的照片。之所以称之为“鬼成像”，是因为对于其中任何一个探测器都不是对物体直接成像，但两探测器的“相遇”却又能得到物体的照片，就像两个不相识的画师闭着眼在画布上肆意涂鸦，却合作画出了一个人的精确肖像。这种现象让人们觉得不可思议，感觉似乎有幽灵出没。
“鬼成像”的“量子成像”面具，导致部分学者认为量子纠缠是必不可少的，而另一部分学者则认为量子纠缠并非绝对需要的。大量学者就“鬼成像”的真面貌进行了大讨论，一时间论说莫衷一是。2002年，美国的Bennink等人打破了争议，首次利用非量子纠缠光源演示了“鬼成像”实验。随后，中科院上海光机所韩申生课题组和意大利A.Gatti等人分别从经典的统计光学和光场相干性理论出发，理论上完成了经典热光的“鬼成像”理论分析。至此，“鬼成像”不再局限于“量子成像”，开始在各个应用领域大放异彩。
“鬼成像”，都可以成哪些“像”？
X光“鬼成像”技术
针对X光成像中相干性要求高以及透镜研制困难的问题，“鬼成像”利用非相干光源实现了无透镜的衍射成像，使得小型化的台式X光衍射成像成为了可能，大大推进了X光在纳米技术、生命科学和远程探测等领域的应用。
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台式化X光“鬼成像”设备（图源：中科院上海光机所）
“鬼成像”雷达
从成像的角度来看，雷达是通过接收目标的回波信号来实现成像的系统。“鬼成像”雷达通过利用目标回波信号与出射信号的关联，获得了目标的空间三维图像信息。
此外，不同于传统的成像系统，“鬼成像”雷达利用图像的统计性质可以在大幅度减少采样数目、提高成像速度的同时具备超分辨能力。打个比方，传统成像是点到点的成像，视场范围100×100个点便需要测量10000个数据，而有效信息却可能只有中间的30×30个点，利用“鬼成像”雷达进行测量，能有效避免无效测量，仅需远小于10000个数据便能获得完整信息。
作为一种全新的光学遥感成像技术，“鬼成像”雷达既具有传统激光雷达的远距离探测能力，又具有闪光成像雷达的高图像分辨率。
另外，把鬼成像装置（a）安装在飞机下面，对地面目标（b）进行成像，获得的结果如图（c）所示，不同的颜色代表了目标的高度信息，通过将高度信息的转换实现目标三维成像的目的。（图源：HanS,YuH,ShenX,etal.AppliedSciences,2018,8(8).）
“鬼成像”相机
“鬼成像”相机除了能够像传统相机一样记录目标的空间信息，还能够单次拍照获取目标的光谱、偏振等光学维度的信息。这次，“鬼成像”在荧光显微成像领域大显身手，背后依靠的就是“鬼成像”相机技术。
通过“鬼成像”相机拍摄的上海光机所园区照片（图源：中科院上海光机所）
活细胞成像对理解生命机制与运行特征具有重要意义，光学显微镜是进行活细胞成像的首选工具，但是其空间分辨能力受到成像镜头的限制，只能达到200~300纳米。以受激发射耗竭显微镜（STED）、结构光照明显微镜（SIM）、光激活定位显微技术（PALM）、随机光学重构显微镜（STORM）等为代表的诺贝尔奖工作虽然打破了衍射受限的障碍，但由于存在时间分辨能力和空间分辨能力之间的制约，以及大功率照明对生物组织的损伤问题，目前的超分辨率荧光纳米显微成像技术仍难以实时观测细胞内纳米尺度快速变化的动力学过程。
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为了解决上述问题，将“鬼成像”相机应用于基于单分子定位技术的超分辨显微成像技术中，数量级地减少了重构超分辨图像所需的采样帧数，大大提高了成像实时性。
“鬼成像”的未来之路
结合最新的硬件探测技术，下一步有望实现记录毫秒或者亚毫秒时间尺度、几十纳米空间尺度的细胞内生命活动。同时，这项超分辨成像技术有望在遥感成像、脑科学、生命科学、病毒病理、微生物等领域得到广泛应用。世界那么大，希望“鬼成像”在新的领域继续搞鬼，展现新的技术魅力。
作者单位：中国科学院上海光学精密机械研究所
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