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低辐射的X射线“鬼成像”黑科技,有望用于泄漏检测和医学成像
发布:kittyll   时间:2018/4/13 16:37:03   阅读:523 
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一种更加廉价和安全的X射线检测新方法问世
图片来源:DAVID MACK/SCIENCE SOURCE

当我们使用单像素摄像头拍照时,只能得到非常平淡的照片:全黑、全白或介于两者之间的灰色方块。毕竟,这种摄像头仅仅是用来检测亮度的。

然而,中科院物理研究所和上海交通大学的物理学家们通过将单像素相机与模式化光源连接起来,利用一种被称为“鬼成像”的统计技术,制成了非常精细的X射线图像,“鬼成像”技术于20年前率先在红外和可见光领域开创了先河。

研究人员表示,这种系统的未来版本是无需使用镜头和多像素检测器,借助价格便宜的相机就可拍摄清晰的X射线照片, 并且与传统技术相比,可以减少致癌辐射。

“我们的系统更便宜,更小,如果你需要甚至可以直接携带它到现场。”中国科学院物理研究所吴令安研究员说道。这项研究成果已发表在3月的《Optica》杂志上。美国《Science》期刊的News in Depth栏目也重点报道了这项工作,并被选为当期的Top Stories。

“鬼成像”技术,就是这样一种黑科技!

不用把照相机的镜头对准物体,也能对物体成像,你信吗?

它对物体成像时,镜头与物体之间,可以相隔数千里,这种神奇的显影特性,使它成为世界军事大国近些年来竞相追逐的黑科技之一。曾有外媒刊发消息称,中国或将在十年内用“鬼成像”技术,制作出鬼成像间谍(侦察)卫星,可在黑暗的夜晚追踪隐形战机。

鬼成像技术真这样“逆天”吗?

它究竟又是怎样为物体成像呢?
 

我们目前利用照相装置获取物体图像的做法,属于经典成像的范畴。在经典成像中,物体与照相机的镜头及感光器材等,都处在同一条光路上,照相(探测)和成像要在同一个区域内完成,物体和成像探测不能分开,因此是物像一起的“对物取像”。“鬼成像”则与经典成像完全不同。
 

在“鬼成像”过程中:

首先,物体只出现在信号光路中,而参考光路中没有物体,但物体的光场位置分布信息,却仿佛幽灵一样被显现在参考探测器上,这种不寻常的成像就如同“鬼魂显灵”一样,所以被形象地称为是“鬼成像”或“幽灵成像”;

其次,探测和成像是不在同一个区域内实施的,物体和成像探测分开了,所以成像过程是物像分离的“隔物取像”;

第三,无论是信号探测器还是参考探测器,单独都不能获取物体的全部信息而成像,必须对它们两者感应的光信息进行关联或符合计算,才能对物体成像,因此“鬼成像”的正经名称应该是“关联成像”或“符合成像”。

值得一提的是,人们最早发现的鬼成像现象,正是被爱因斯坦形容为“鬼魅般存在”的量子成像。
 

但“鬼成像”并非只有量子成像一种类型,只要是具备关联特性的其他光源,例如光波等,都能实现“鬼成像”。于是,除了量子“鬼成像”外,根据所使用的光源或信号源不同,又有了热光源鬼成像、赝热光源鬼成像和微波鬼成像等一些经典鬼成像类型。
 

由于赝光源与热光源的大气穿透能力都不强,作用距离都不能很远。为了将鬼成像拓展到遥感探测领域,人们又用电磁波中的微波作为光源,这就是微波鬼成像,它能够远距离对目标进行成像探测,特别是穿透大气层,从空中和空间获取大气层内目标的信息。

鬼成像几乎颠覆了人们以往的认知,超乎寻常的成像方式和特点,使其相对于经典成像,具备很多能满足军事需求的巨大优势!

首先,鬼成像是物像分离的成像方式,即使探测目标的信号光路存在干扰物或障碍,鬼成像与生俱来的“幽灵”一样的“意念显像”本领,也能进行超常的规避。所以说基本不会影响成像效果,这为对地面目标实施更理想的天基和空基侦察提供了新的技术,或将促进开发出能更好探测并获取目标信息的鬼成像侦察机,特别是全天时全天候都能使用的鬼成像侦察卫星。
 

其次,鬼成像最终是通过关联计算来得到物体的图像,在信号光路只需用极弱的光束照射物体就行,从而使采用鬼成像技术开发出的成像探测装置具有“火眼金星”,能“一览无余”地发现电磁信号特征极小的隐形飞机、隐形舰船和隐形坦克等隐形目标,并可能让侦察机在防空武器射程范围外的更远处,如临近空间,安全地探测和发现目标。

第三,鬼成像可用微观的“透视”方式探测物体,同时利用更广泛的光谱来捕捉目标的细节,因此是“透过表象看本质”,这使基于鬼成像技术的成像探测装置,能在探测时把目标与诱饵和假目标区分开来,撕破对目标的伪装和遮盖,让目标“裸露”在光天化日之下。

最后,鬼成像能突破现在经典光学成像的分辨率极限,在振动、电子干扰等较差的环境下也能正常工作,因此在对目标实施侦察时,可获取比经典成像设备更优的成像效果,得到更清晰的目标图像。

X射线,“鬼成像 ”技术新突破

中科院物理研究所和上海交通大学合作研发的X射线“鬼成像”系统目前还无法应用于医学领域,但他们已将X射线剂量降低了约一百万倍,曾在2015年成功实现X射线“鬼成像”的Daniele Pelliccia也证实了这一点。位于澳大利亚墨尔本附近的光学创业公司Instruments&Data Tools的一位物理学家使用了一种叫做同步加速器的如建筑物大小的X射线源,但是吴令安研究员的团队使用了紧凑的台式光源。

另外,早期的X射线“鬼成像”是切有狭缝金属的简单图片,而吴令安研究员的团队制作了贝壳轮廓线和刻在金属板上的首字母缩写的X射线“鬼像”,“这次的图像看起来更像正常的图像,”Pelliccia说道。“如果它适用于医学图像,潜在的回报将是巨大的。”
 

英国格拉斯哥大学的物理学家Miles Padgett表示,“鬼成像”的关键是用通过具有已知模式的滤光片的光照射物体。在物体的另一侧,用单像素相机拍摄一张照片——无非是一个灰色方块。要制成一幅图像,你需要进行数千次这样的处理,在每次曝光后更换不同的滤镜图案。吴令安研究员的团队使用了一块对X射线部分透明的砂纸,并在每次曝光后旋转它来创建不同的图案。

“看见鬼影”
 

即使探测器只捕获未解析的灰色方块,但是利用模式化的滤光片,研究人员照样可以制作出清晰的物体图像。

因为计算机“知道”每次曝光的滤镜图案,所以可以根据相机捕捉的灰色像素序列中的变化计算得到图像。理论上,这样得到的结果会与当前常见的X射线图像一样好,而无需高分辨率照相机或常规成像所需的高强X射线。

剑桥麻省理工学院的物理学家Jeffrey Shapiro表示,研究人员已经展示了利用可见光和红外线的简单“鬼成像”系统,其依赖于可编程滤波器。当光源将其投影到物体和单像素检测器上时,计算机会记录并重置滤波器模式。

Padgett的研究团队已经利用红外系统对甲烷气泄漏进行了“鬼成像”。他们在英国格拉斯哥的行业合作伙伴M Squared Lasers公司,正在努力将该系统商业化,并希望将检测器出售给石油和天然气行业,作为检测泄漏管道的更便宜的新方法。

吴令安研究员表示,制作计算机可编程的X射线过滤器是一个更大的挑战,因为X射线能很容易的穿过大多数材料。所以她的团队使用了不可编程的砂纸,但是不得不使用高分辨率相机来测量图案。

但你可以想象一个商业的X射线系统,制造商预先记录所有的砂纸模式,并且只有制造商需要配备高分辨率相机,而个人用户可以简单地购买单像素相机,并按照指定的顺序使用砂纸过滤器即可。

吴令安研究员介绍道:为了使这种新技术能在医学应用上可行,研究人员必须证明,成像所需的总X射线剂量要低于传统系统的剂量。一次完整的“鬼成像”需要数千次曝光,这个过程中X射线的辐射会逐渐累积起来。另外,对象结构越精细, 例如人体,需要的曝光越多。然而,吴令安研究员表示,他们可以将每次曝光的X射线强度降到很低,使得“鬼成像”技术真正可以被实际应用。

“这么做很重要!如果能减少女性在接受乳房X射线检查或人们在进行胸部检查时所受到的X射线辐射,这将是一件大事,但是图像质量仍有待提高,如果这些问题都解决后那就非常完美了!”——Shapiro


部分内容来源 | 中国国防报
译自 | sciencemag
作者 | Sophia Chen
译者  | kittyll
DOI:10.1126 / science.aat7285

 
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