低輻射的X射線“鬼成像”黑科技，有望用于泄漏檢測和醫(yī)...

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(dāng)我們使用單像素?cái)z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(xué)的物理學(xué)家們通過將單像素相機(jī)與模式化光源連接起來，利用一種被稱為“鬼成像”的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，制成了非常精細(xì)的X射線圖像，“鬼成像”技術(shù)于20年前率先在紅外和可見光領(lǐng)域開創(chuàng)了先河。

研究人員表示，這種系統(tǒng)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(jī)就可拍攝清晰的X射線照片， 并且與傳統(tǒng)技術(shù)相比，可以減少致癌輻射。

“我們的系統(tǒng)更便宜，更小，如果你需要甚至可以直接攜帶它到現(xiàn)場。”中國科學(xué)院物理研究所吳令安研究員說道。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在3月的《Optica》雜志上。美國《Science》期刊的News in Depth欄目也重點(diǎn)報(bào)道了這項(xiàng)工作，并被選為當(dāng)期的Top Stories。

“鬼成像”技術(shù)，就是這樣一種黑科技！

不用把照相機(jī)的鏡頭對準(zhǔn)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(shù)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(fā)消息稱，中國或?qū)⒃谑陜?nèi)用“鬼成像”技術(shù)，制作出鬼成像間諜（偵察）衛(wèi)星，可在黑暗的夜晚追蹤隱形戰(zhàn)機(jī)。

鬼成像技術(shù)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(jīng)典成像的范疇。在經(jīng)典成像中，物體與照相機(jī)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(qū)域內(nèi)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(jīng)典成像完全不同。

在“鬼成像”過程中：

首先，物體只出現(xiàn)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(xiàn)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(qū)域內(nèi)實(shí)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(dú)都不能獲取物體的全部信息而成像，必須對它們兩者感應(yīng)的光信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)或符合計(jì)算，才能對物體成像，因此“鬼成像”的正經(jīng)名稱應(yīng)該是“關(guān)聯(lián)成像”或“符合成像”。

值得一提的是，人們最早發(fā)現(xiàn)的鬼成像現(xiàn)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(guān)聯(lián)特性的其他光源，例如光波等，都能實(shí)現(xiàn)“鬼成像”。于是，除了量子“鬼成像”外，根據(jù)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(jīng)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(qiáng)，作用距離都不能很遠(yuǎn)。為了將鬼成像拓展到遙感探測領(lǐng)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(yuǎn)距離對目標(biāo)進(jìn)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(nèi)目標(biāo)的信息。

鬼成像幾乎顛覆了人們以往的認(rèn)知，超乎尋常的成像方式和特點(diǎn)，使其相對于經(jīng)典成像，具備很多能滿足軍事需求的巨大優(yōu)勢！

首先，鬼成像是物像分離的成像方式，即使探測目標(biāo)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(lǐng)，也能進(jìn)行超常的規(guī)避。所以說基本不會影響成像效果，這為對地面目標(biāo)實(shí)施更理想的天基和空基偵察提供了新的技術(shù)，或?qū)⒋龠M(jìn)開發(fā)出能更好探測并獲取目標(biāo)信息的鬼成像偵察機(jī)，特別是全天時全天候都能使用的鬼成像偵察衛(wèi)星。

其次，鬼成像最終是通過關(guān)聯(lián)計(jì)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(shù)開發(fā)出的成像探測裝置具有“火眼金星”，能“一覽無余”地發(fā)現(xiàn)電磁信號特征極小的隱形飛機(jī)、隱形艦船和隱形坦克等隱形目標(biāo)，并可能讓偵察機(jī)在防空武器射程范圍外的更遠(yuǎn)處，如臨近空間，安全地探測和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

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(biāo)的細(xì)節(jié)，因此是“透過表象看本質(zhì)”，這使基于鬼成像技術(shù)的成像探測裝置，能在探測時把目標(biāo)與誘餌和假目標(biāo)區(qū)分開來，撕破對目標(biāo)的偽裝和遮蓋，讓目標(biāo)“裸露”在光天化日之下。

最后，鬼成像能突破現(xiàn)在經(jīng)典光學(xué)成像的分辨率極限，在振動、電子干擾等較差的環(huán)境下也能正常工作，因此在對目標(biāo)實(shí)施偵察時，可獲取比經(jīng)典成像設(shè)備更優(yōu)的成像效果，得到更清晰的目標(biāo)圖像。

X射線，“鬼成像 ”技術(shù)新突破

中科院物理研究所和上海交通大學(xué)合作研發(fā)的X射線“鬼成像”系統(tǒng)目前還無法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)X射線“鬼成像”的Daniele Pelliccia也證實(shí)了這一點(diǎn)。位于澳大利亞墨爾本附近的光學(xué)創(chuàng)業(yè)公司Instruments＆Data Tools的一位物理學(xué)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(yī)學(xué)圖像，潛在的回報(bào)將是巨大的。”

英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家Miles Padgett表示，“鬼成像”的關(guān)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(cè)，用單像素相機(jī)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(jìn)行數(shù)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(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)它來創(chuàng)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?yàn)橛?jì)算機(jī)“知道”每次曝光的濾鏡圖案，所以可以根據(jù)相機(jī)捕捉的灰色像素序列中的變化計(jì)算得到圖像。理論上，這樣得到的結(jié)果會與當(dāng)前常見的X射線圖像一樣好，而無需高分辨率照相機(jī)或常規(guī)成像所需的高強(qiáng)X射線。

劍橋麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Jeffrey Shapiro表示，研究人員已經(jīng)展示了利用可見光和紅外線的簡單“鬼成像”系統(tǒng)，其依賴于可編程濾波器。當(dāng)光源將其投影到物體和單像素檢測器上時，計(jì)算機(jī)會記錄并重置濾波器模式。

Padgett的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用紅外系統(tǒng)對甲烷氣泄漏進(jìn)行了“鬼成像”。他們在英國格拉斯哥的行業(yè)合作伙伴M Squared Lasers公司，正在努力將該系統(tǒng)商業(yè)化，并希望將檢測器出售給石油和天然氣行業(yè)，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(jì)算機(jī)可編程的X射線過濾器是一個更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閄射線能很容易的穿過大多數(shù)材料。所以她的團(tuán)隊(duì)使用了不可編程的砂紙，但是不得不使用高分辨率相機(jī)來測量圖案。

但你可以想象一個商業(yè)的X射線系統(tǒng)，制造商預(yù)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(jī)，而個人用戶可以簡單地購買單像素相機(jī)，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(shù)能在醫(yī)學(xué)應(yīng)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(tǒng)系統(tǒng)的劑量。一次完整的“鬼成像”需要數(shù)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(jié)構(gòu)越精細(xì)， 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(qiáng)度降到很低，使得“鬼成像”技術(shù)真正可以被實(shí)際應(yīng)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(jìn)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(zhì)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(nèi)容來源 | 中國國防報(bào)
譯自 | sciencemag
作者 | Sophia Chen
譯者  | kittyll
DOI：10.1126 / science.aat7285

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