一種更加廉價和安全的X射線檢測新方法問世
圖片來源：DAVID MACK/SCIENCE SOURCE
當我們使用單像素攝像頭拍照時，只能得到非常平淡的照片：全黑、全白或介于兩者之間的灰色方塊。畢竟，這種攝像頭僅僅是用來檢測亮度的。
然而，中科院物理研究所和上海交通大學的物理學家們通過將單像素相機與模式化光源連接起來，利用一種被稱為“鬼成像”的統計技術，制成了非常精細的X射線圖像，“鬼成像”技術于20年前率先在紅外和可見光領域開創了先河。
研究人員表示，這種系統的未來版本是無需使用鏡頭和多像素檢測器，借助價格便宜的相機就可拍攝清晰的X射線照片， 并且與傳統技術相比，可以減少致癌輻射。
“我們的系統更便宜，更小，如果你需要甚至可以直接攜帶它到現場。”中國科學院物理研究所吳令安研究員說道。這項研究成果已發表在3月的《Optica》雜志上。美國《Science》期刊的News in Depth欄目也重點報道了這項工作，并被選為當期的Top Stories。
“鬼成像”技術，就是這樣一種黑科技！
不用把照相機的鏡頭對準物體，也能對物體成像，你信嗎？
它對物體成像時，鏡頭與物體之間，可以相隔數千里，這種神奇的顯影特性，使它成為世界軍事大國近些年來競相追逐的黑科技之一。曾有外媒刊發消息稱，中國或將在十年內用“鬼成像”技術，制作出鬼成像間諜（偵察）衛星，可在黑暗的夜晚追蹤隱形戰機。
鬼成像技術真這樣“逆天”嗎？
它究竟又是怎樣為物體成像呢？
我們目前利用照相裝置獲取物體圖像的做法，屬于經典成像的范疇。在經典成像中，物體與照相機的鏡頭及感光器材等，都處在同一條光路上，照相（探測）和成像要在同一個區域內完成，物體和成像探測不能分開，因此是物像一起的“對物取像”。“鬼成像”則與經典成像完全不同。
在“鬼成像”過程中：
首先，物體只出現在信號光路中，而參考光路中沒有物體，但物體的光場位置分布信息，卻仿佛幽靈一樣被顯現在參考探測器上，這種不尋常的成像就如同“鬼魂顯靈”一樣，所以被形象地稱為是“鬼成像”或“幽靈成像”；
其次，探測和成像是不在同一個區域內實施的，物體和成像探測分開了，所以成像過程是物像分離的“隔物取像”；
第三，無論是信號探測器還是參考探測器，單獨都不能獲取物體的全部信息而成像，必須對它們兩者感應的光信息進行關聯或符合計算，才能對物體成像，因此“鬼成像”的正經名稱應該是“關聯成像”或“符合成像”。
值得一提的是，人們最早發現的鬼成像現象，正是被愛因斯坦形容為“鬼魅般存在”的量子成像。
但“鬼成像”并非只有量子成像一種類型，只要是具備關聯特性的其他光源，例如光波等，都能實現“鬼成像”。于是，除了量子“鬼成像”外，根據所使用的光源或信號源不同，又有了熱光源鬼成像、贗熱光源鬼成像和微波鬼成像等一些經典鬼成像類型。
由于贗光源與熱光源的大氣穿透能力都不強，作用距離都不能很遠。為了將鬼成像拓展到遙感探測領域，人們又用電磁波中的微波作為光源，這就是微波鬼成像，它能夠遠距離對目標進行成像探測，特別是穿透大氣層，從空中和空間獲取大氣層內目標的信息。
鬼成像幾乎顛覆了人們以往的認知，超乎尋常的成像方式和特點，使其相對于經典成像，具備很多能滿足軍事需求的巨大優勢！
首先，鬼成像是物像分離的成像方式，即使探測目標的信號光路存在干擾物或障礙，鬼成像與生俱來的“幽靈”一樣的“意念顯像”本領，也能進行超常的規避。所以說基本不會影響成像效果，這為對地面目標實施更理想的天基和空基偵察提供了新的技術，或將促進開發出能更好探測并獲取目標信息的鬼成像偵察機，特別是全天時全天候都能使用的鬼成像偵察衛星。
其次，鬼成像最終是通過關聯計算來得到物體的圖像，在信號光路只需用極弱的光束照射物體就行，從而使采用鬼成像技術開發出的成像探測裝置具有“火眼金星”，能“一覽無余”地發現電磁信號特征極小的隱形飛機、隱形艦船和隱形坦克等隱形目標，并可能讓偵察機在防空武器射程范圍外的更遠處，如臨近空間，安全地探測和發現目標。
第三，鬼成像可用微觀的“透視”方式探測物體，同時利用更廣泛的光譜來捕捉目標的細節，因此是“透過表象看本質”，這使基于鬼成像技術的成像探測裝置，能在探測時把目標與誘餌和假目標區分開來，撕破對目標的偽裝和遮蓋，讓目標“裸露”在光天化日之下。
最后，鬼成像能突破現在經典光學成像的分辨率極限，在振動、電子干擾等較差的環境下也能正常工作，因此在對目標實施偵察時，可獲取比經典成像設備更優的成像效果，得到更清晰的目標圖像。
X射線，“鬼成像 ”技術新突破
中科院物理研究所和上海交通大學合作研發的X射線“鬼成像”系統目前還無法應用于醫學領域，但他們已將X射線劑量降低了約一百萬倍，曾在2015年成功實現X射線“鬼成像”的Daniele Pelliccia也證實了這一點。位于澳大利亞墨爾本附近的光學創業公司Instruments＆Data Tools的一位物理學家使用了一種叫做同步加速器的如建筑物大小的X射線源，但是吳令安研究員的團隊使用了緊湊的臺式光源。
另外，早期的X射線“鬼成像”是切有狹縫金屬的簡單圖片，而吳令安研究員的團隊制作了貝殼輪廓線和刻在金屬板上的首字母縮寫的X射線“鬼像”，“這次的圖像看起來更像正常的圖像，”Pelliccia說道。“如果它適用于醫學圖像，潛在的回報將是巨大的。”
英國格拉斯哥大學的物理學家Miles Padgett表示，“鬼成像”的關鍵是用通過具有已知模式的濾光片的光照射物體。在物體的另一側，用單像素相機拍攝一張照片——無非是一個灰色方塊。要制成一幅圖像，你需要進行數千次這樣的處理，在每次曝光后更換不同的濾鏡圖案。吳令安研究員的團隊使用了一塊對X射線部分透明的砂紙，并在每次曝光后旋轉它來創建不同的圖案。
“看見鬼影”
即使探測器只捕獲未解析的灰色方塊，但是利用模式化的濾光片，研究人員照樣可以制作出清晰的物體圖像。
因為計算機“知道”每次曝光的濾鏡圖案，所以可以根據相機捕捉的灰色像素序列中的變化計算得到圖像。理論上，這樣得到的結果會與當前常見的X射線圖像一樣好，而無需高分辨率照相機或常規成像所需的高強X射線。
劍橋麻省理工學院的物理學家Jeffrey Shapiro表示，研究人員已經展示了利用可見光和紅外線的簡單“鬼成像”系統，其依賴于可編程濾波器。當光源將其投影到物體和單像素檢測器上時，計算機會記錄并重置濾波器模式。
Padgett的研究團隊已經利用紅外系統對甲烷氣泄漏進行了“鬼成像”。他們在英國格拉斯哥的行業合作伙伴M Squared Lasers公司，正在努力將該系統商業化，并希望將檢測器出售給石油和天然氣行業，作為檢測泄漏管道的更便宜的新方法。
吳令安研究員表示，制作計算機可編程的X射線過濾器是一個更大的挑戰，因為X射線能很容易的穿過大多數材料。所以她的團隊使用了不可編程的砂紙，但是不得不使用高分辨率相機來測量圖案。
但你可以想象一個商業的X射線系統，制造商預先記錄所有的砂紙模式，并且只有制造商需要配備高分辨率相機，而個人用戶可以簡單地購買單像素相機，并按照指定的順序使用砂紙過濾器即可。
吳令安研究員介紹道：為了使這種新技術能在醫學應用上可行，研究人員必須證明，成像所需的總X射線劑量要低于傳統系統的劑量。一次完整的“鬼成像”需要數千次曝光，這個過程中X射線的輻射會逐漸累積起來。另外，對象結構越精細， 例如人體，需要的曝光越多。然而，吳令安研究員表示，他們可以將每次曝光的X射線強度降到很低，使得“鬼成像”技術真正可以被實際應用。
“這么做很重要！如果能減少女性在接受乳房X射線檢查或人們在進行胸部檢查時所受到的X射線輻射，這將是一件大事，但是圖像質量仍有待提高，如果這些問題都解決后那就非常完美了！”——Shapiro
來源：“無損檢測NDT”微信公眾號
部分內容來源 | 中國國防報
譯自 | sciencemag
作者 | Sophia Chen
譯者 | kittyll
DOI：10.1126 / science.aat7285
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