2024年3月11日下午，应中国科学院大学人文学院党委考古系教工党支部邀请，中国科学院物理研究所的吴令安研究员来到中国科学院大学玉泉路校区，为师生们带来“‘鬼’成像的广阔应用前景”专题讲座。
吴令安老师的讲座从古代光学研究开始，以科技史的视角回顾了成像技术的发展历程。生活中我们所熟悉的传统成像技术，如摄像机、望远镜、显微镜等，通常是基于透镜成像原理，由摄像头直接对物体拍摄成像。而鬼成像技术（Ghost Imaging）又称双光子成像（Two-photon Imaging）或关联成像（Correlated Imaging），无需用摄像头直接看物体就能恢复物体的像，是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。
鬼成像最早起源于量子学界。1956年，Hanbury Brown和Twiss两位科学家致力于测量天狼星的直径。他们最初考虑使用迈克尔逊干涉仪的方法，该方法通过测量两束光场的干涉条纹来确定光程差。然而，由于天狼星距离地球约8.6光年，两束光的相位在传播过程中会因扰动而失去相干性，导致无法测量。为了克服这个问题，Hanbury Brown和Twiss提出通过测量光强的关联性，即二阶关联g(2)，来获得信号。在这一实验中，光场E1和E2的一阶关联g(1)无法测量，因此转而关注光强I1（与E1平方成正比）和I2的关联，即二阶关联g(2)。光强相对于相位信息更为稳定，通过积分求平均后，成功获得了信号。这一实验被称为HBT实验，为量子光学领域的开创性实验，为后续的量子光学理论奠定了基础。
鬼成像与HBT实验的关系在于光强I(r,t)是空间和时间的函数，通过确定t1=t2，只关注两路光在空间r上的关联。通过将一路光透过物体，将透射光在空间上的光强加在一起，形成总光强I1，再记录另一路光在空间上的光强分布值，即矩阵I2。通过多次测量和平均，可以还原物体的像。HBT实验中应用的强度关联运算，对鬼成像技术的发展具有里程碑式的重要意义。
在“鬼成像”中，光学系统的设计采用了一种创新性的方法。首先，光源经过随机掩模，如旋转的毛玻璃，被分光镜分为物臂和参考臂两束光。在物臂中，光传播到毛玻璃后形成散斑场，这个场景将被用于照射到目标物体。目标物体的反射或透射信号被桶探测器记录，该探测器主要用于测量透过物体的总光强，但无法提供任何分辨率。同时，未照射到目标物体的散斑场在参考臂中被CCD相机记录。这两个记录的信号（桶探测器D1和CCD相机）一起构成了一次测量。通过进行多次采样，我们能够得到目标物体的图像，而无需直接观察目标物体。举例而言，我们可以首先在室外设置探测器D1，然后在室内通过探测器D2对光源进行一段时间的采样，从而获得室外的图像信息，完全不需要直接观察室外的景象。这种方法的独特性和高度创新性使得“鬼成像”成为一项引人注目的技术。
鬼成像作为一种独特的间接成像方法，展现了在实际应用中相较传统成像方式所无法匹敌的优势。由于桶探测器专注于收集物体的全部透射光或背向散射光，且不具备空间分辨能力，鬼成像因而能够抵御天气条件变化，如云雾、烟雾和雾霾等的干扰，从而获得更为清晰的图像。此外，采用这种收集全部物光的成像方式还能够避免光能量在面阵式探测器的每个像素上分散，提高信噪比，因此鬼成像能够在极弱光条件下实现成像。这也意味着在具有辐射伤害的X射线成像中，鬼成像可以实现低剂量的X射线成像。
实验结果显示，相较于传统的透射成像方式，鬼成像在弱光条件下能够获得更高的信噪比。在相同信噪比的前提下，采用鬼成像的方法可以显著降低成像过程中的辐射剂量。这项工作首次在实验层面以一种简便的方式验证了超低辐射鬼成像的可行性，为未来三维X射线鬼成像及生物医疗领域的实际应用奠定了坚实的基础。
最后吴令安老师进行总结与展望，强调了鬼成像的广阔应用前景以及对考古勘探等领域存在应用的可能。讲座的最后，考古系师生就鬼成像对无机文物的内部信息获取及其对地下遗存探查成像等问题踊跃向吴令安老师请教，吴老师作了细致的解答，在场师生均获益匪浅。
图文 / 陈典
编辑 / 何天翼
审核 / 尚雪
