量子成像關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展

李明飛，莫小范，張安寧

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)量子工程中心，北京100871）

量子成像關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展

李明飛1，2，莫小范1，2，張安寧1，2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)量子工程中心，北京100871）

量子成像從1995年利用糾纏光源實(shí)現(xiàn)至今已有20多年的歷史。目前，量子成像已經(jīng)與壓縮感知傳感、激光雷達(dá)、結(jié)構(gòu)光照明等各個(gè)領(lǐng)域形成了多學(xué)科交叉。本文回顧了量子成像技術(shù)的發(fā)展歷程，列出了量子成像的關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展，展望了量子成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

量子成像；糾纏光源；壓縮感知；激光雷達(dá)；結(jié)構(gòu)光照明

0 引言

量子成像，亦稱“鬼”成像、強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像或符合成像［1-2］。從誕生發(fā)展至今，已有20多年的歷史，其發(fā)展歷程按技術(shù)路線和研究進(jìn)展，可劃分為三個(gè)階段。

第一階段:1994年～2002年，糾纏光量子成像理論及實(shí)驗(yàn)研究階段。這一階段，量子成像經(jīng)歷了從理論提出到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，期間甚至產(chǎn)生學(xué)術(shù)爭(zhēng)論:糾纏光源是實(shí)現(xiàn)量子成像的必要條件［3-4］？

第二階段:2002年～2008年，經(jīng)典光源量子成像實(shí)驗(yàn)研究階段。這一階段，關(guān)于糾纏光源是否是量子成像的唯一光源問(wèn)題，答案水落石出。無(wú)論是隨機(jī)擾動(dòng)的激光光源還是激光入射旋轉(zhuǎn)毛玻璃產(chǎn)生的贗熱光源，甚至真正的熱光源，在實(shí)驗(yàn)上都被證實(shí)可以實(shí)現(xiàn)量子成像［5-13］。由于熱光源相對(duì)于當(dāng)時(shí)的糾纏光源亮度高、容易獲得且應(yīng)用范圍廣，預(yù)示著熱光量子成像具有潛在實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊發(fā)展前景，并由此引起大批學(xué)者的科研興趣。

第三階段:2008年～2016年，經(jīng)典光源量子成像工程化探索階段。這一階段，一方面美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）教授Shapiro提出了量子成像改進(jìn)方案，即計(jì)算量子成像方案［14］。通過(guò)可控、可預(yù)置光源技術(shù)取代了參考陣列探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了真正單像素成像功能。另一方面，空間光調(diào)制器技術(shù)成熟，實(shí)驗(yàn)上很快實(shí)現(xiàn)了計(jì)算量子成像方案，成像速度大幅提升［15-16］。幾乎同時(shí)，與計(jì)算量子成像理論體系等價(jià)的單像素相機(jī)也被萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)［17］。自此，對(duì)量子成像的工程化探索拉開(kāi)了帷幕。越來(lái)越多的人開(kāi)始尋找量子成像的應(yīng)用，從顯微成像到遙感成像［18-21］，從抗大氣湍流到超分辨成像［22-26］，從單像素二維成像到三維激光雷達(dá)成像［27-32］等技術(shù)方案層出不窮，在多個(gè)研究方向均出現(xiàn)了大量的科研成果和學(xué)術(shù)報(bào)道。

本文分三部分對(duì)量子成像關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 糾纏光量子成像理論及實(shí)驗(yàn)研究

1994年，人們?cè)谘芯考m纏光子特性時(shí)，得出了滿足糾纏的光子可以實(shí)現(xiàn)非定域成像的理論預(yù)言［1］。1995年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)史碩華小組，利用糾纏光子實(shí)驗(yàn)上得到了世界上第一張量子成像［2］。因其非定域成像特性和反直覺(jué)，楊振寧稱其為“鬼”成像。

如圖1（a）所示，量子成像原理可簡(jiǎn)述為:糾纏光子對(duì)被分開(kāi)后，信號(hào)光子通過(guò)物體，被桶探測(cè)器收集；桶探測(cè)器沒(méi)有空間分辨能力，得不到物體的二維像；令閑散光子直接被點(diǎn)探測(cè)器在空間上掃描加以探測(cè)，在滿足圖1（b）透鏡成像公式位置最終通過(guò)光子計(jì)數(shù)的符合測(cè)量可以得到物體的像——美國(guó)馬里蘭大學(xué)英文首字母縮寫:“UMBC”。整個(gè)過(guò)程仿佛物體如幽靈出現(xiàn)在閑散光子探測(cè)的空間，因采用了光子符合計(jì)數(shù)，量子成像也被稱為符合成像。量子成像具有如下特點(diǎn):成像對(duì)比度100％，可突破經(jīng)典的衍射極限實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)成像［2］；不足之處是:糾纏光源亮度低，糾纏光子對(duì)產(chǎn)生效率低、探測(cè)效率低、探測(cè)環(huán)境要求高，實(shí)用性受到嚴(yán)重限制。目前最有希望實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用是，在環(huán)境光噪聲可控條件下，實(shí)現(xiàn)近距離、靜止目標(biāo)成像、超分辨顯微凝視成像，亞波長(zhǎng)光刻技術(shù)等。

圖1　糾纏光源量子成像實(shí)驗(yàn)原理圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 The diagram of quantum imaging experiment and its results

2 經(jīng)典光源量子成像實(shí)驗(yàn)研究

2002年～2008年，主要是經(jīng)典光源量子成像實(shí)驗(yàn)研究階段。2002年，羅切斯特大學(xué)的Boyd團(tuán)隊(duì)用隨機(jī)掃描的激光光源首次建立了熱光量子成像方案的雛形［4］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，將連續(xù)激光束斬波成準(zhǔn)脈沖激光，通過(guò)隨機(jī)旋轉(zhuǎn)反射鏡改變準(zhǔn)脈沖掃描位置實(shí)現(xiàn)對(duì)物體掃描；透射過(guò)物體的總光強(qiáng)被桶探測(cè)器收集；另一束參考光直接被CCD相機(jī)拍攝。實(shí)驗(yàn)物體是羅切斯特大學(xué)縮寫“UR”；實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)對(duì)CCD相機(jī)和桶探測(cè)器信號(hào)的關(guān)聯(lián)，可得到物體的清晰成像。該實(shí)驗(yàn)首次證明了經(jīng)典光源可實(shí)現(xiàn)量子成像。

圖2　經(jīng)典光源量子成像實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The quantum imaging experiment setup with classical light source and its experimental result

2004年，意大利的Lugiato團(tuán)隊(duì)使用熱光源和糾纏光源進(jìn)行了量子成像和量子干涉成像，再次證明熱光源完全可以實(shí)現(xiàn)量子成像［5］。2004年，上海光機(jī)所韓申生團(tuán)隊(duì)給出了量子成像等效于無(wú)透鏡傅立葉變換成像的解釋，并指出量子成像可以應(yīng)用到X射線成像領(lǐng)域［8］。隨后，熱光量子成像的不同方案的幾何解釋由北京師范大學(xué)的汪凱戈團(tuán)隊(duì)提出，同時(shí)他們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了熱光源的亞波長(zhǎng)干涉現(xiàn)象［9］。2005年，中科院物理研究所的吳令安小組首次實(shí)現(xiàn)了真熱光的雙光子二階關(guān)聯(lián)，隨后不久實(shí)現(xiàn)了真熱光雙光子干涉和無(wú)透鏡量子成像實(shí)驗(yàn)，得到正立等大的實(shí)像［12］。2008年，美國(guó)MIT教授Shapiro提出可用高斯態(tài)光模型理論來(lái)統(tǒng)一解釋糾纏光源量子成像和經(jīng)典光源量子成像［33］。至此，量子成像關(guān)于糾纏源唯一性的爭(zhēng)論基本水落石出。當(dāng)然，對(duì)量子成像科學(xué)意義的研究并未就此停止。

3 經(jīng)典光源量子成像工程化探索階段

2008年～2016年，經(jīng)典光源量子成像工程化探索階段。期間，學(xué)者對(duì)量子成像的研究集中在幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo):1）量子成像對(duì)比度、信噪比；2）量子成像分辨率極限；3）無(wú)透鏡量子成像，其他波段量子成像；4）量子成像時(shí)間及重建算法；5）大氣湍流、散射對(duì)量子成像的影響等。上述指標(biāo)都針對(duì)量子成像實(shí)際應(yīng)用需求指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。因此說(shuō)，這一階段是量子成像實(shí)用化研究，工程化探索的重要階段。

換言之，這一階段的量子成像方案與研究思路發(fā)生了重要的改變，可按兩個(gè)技術(shù)路線來(lái)闡述: 1）主動(dòng)調(diào)制發(fā)射光場(chǎng)的前調(diào)制技術(shù)方案；2）接收端調(diào)制接收?qǐng)D像的后調(diào)制技術(shù)方案。

3.1主動(dòng)調(diào)制發(fā)射光場(chǎng)的前調(diào)制技術(shù)方案

2008年，美國(guó)MIT教授Shapiro提出計(jì)算量子成像的理論，簡(jiǎn)化了量子成像光路，引發(fā)了量子成像開(kāi)始工程化的探索［14］。2009年，計(jì)算量子成像理論首次被以色列科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證，隨后在美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊應(yīng)用物理快報(bào)上發(fā)表文章，報(bào)道了結(jié)合壓縮感知算法的壓縮感知計(jì)算量子成像實(shí)驗(yàn)，該方法恢復(fù)了高信噪比復(fù)雜灰度物體圖像［15-16］。如圖3所示，傳統(tǒng)量子成像需要在參考光路上放置CCD相機(jī)記錄光場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算量子成像可計(jì)算并預(yù)置光場(chǎng)空間分布，無(wú)需參考光路的陣列相機(jī)；由于單點(diǎn)的探測(cè)器響應(yīng)速度快，該方案極大地提高了量子成像的采樣速度，從而縮短了成像時(shí)間。圖4（a）、圖4（b）為量子成像傳統(tǒng)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4（c）、圖4（d）為壓縮感知算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4說(shuō)明了在同樣的數(shù)據(jù)條件下，采用壓縮感知算法能夠恢復(fù)更高信噪比。當(dāng)然，文章未提到壓縮感知算法的重建時(shí)間長(zhǎng)和對(duì)硬件要求高的局限。

圖3　傳統(tǒng)量子成像與計(jì)算量子成像方案Fig.3 The conventional quantum imaging shceme and the computational quantum imaging shceme

此外，需要指出的是，2010年，差分量子成像方案使得量子成像信噪比有數(shù)量級(jí)提高，該方法可以得到物體的絕對(duì)灰度，很好地重建物體的圖像［34］。2012年，中科院物理研究所吳令安小組提出時(shí)間對(duì)應(yīng)差分量子成像，該方法不需要關(guān)聯(lián)計(jì)算，壓縮了成像重建時(shí)間［35-36］。對(duì)應(yīng)差分量子成像算法與壓縮感知算法恢復(fù)的圖像信噪比均好于傳統(tǒng)成像。差分量子成像的優(yōu)勢(shì)是算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、硬件要求低。實(shí)際上，在量子成像實(shí)際應(yīng)用中需要權(quán)衡量子成像的數(shù)據(jù)采集時(shí)間和圖像重建算法運(yùn)行時(shí)間，理想情況是圖像重建算法運(yùn)行時(shí)間小于等于數(shù)據(jù)采集時(shí)間。

圖4　量子成像傳統(tǒng)算法和壓縮感知算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Computational quantum imaging retrieved by conventional intensity correlation algorithms and by compressive sensing algorithms

當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)量子成像的潛在應(yīng)用價(jià)值后，迅速提出了應(yīng)用方案，開(kāi)啟了工程化探索。2011年，美國(guó)MIT學(xué)者提出計(jì)算量子成像技術(shù)用于遙感成像的方案［37］。2009年，以色列科學(xué)家提出計(jì)算量子成像可用于激光雷達(dá)的方案［15-16］。2012年，上海光機(jī)所韓申生團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于稀疏約束的關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)，成像目標(biāo)距離900m［28］；2013年，利用脈沖激光照明，該團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了3D量子成像激光雷達(dá)，獲得了1.2km自然目標(biāo)3D成像，隨后又開(kāi)展了全天候成像實(shí)驗(yàn)［29］。量子成像激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)原理如圖5（a）所示，脈沖激光光束入射旋轉(zhuǎn)毛玻璃，經(jīng)分束器分成兩束，其中參考光路用CCD相機(jī)記錄一系列激光散斑場(chǎng)；測(cè)量光束經(jīng)成像鏡頭投射到目標(biāo)物體表面，反射光經(jīng)過(guò)窄帶濾波后被光電倍增管PMT收集轉(zhuǎn)為光電流；光電流經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)，運(yùn)行圖像重建算法實(shí)現(xiàn)圖像的重建。最終，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了橫向分辨率25cm、軸向分辨率60cm的自然目標(biāo)3D成像，成像視場(chǎng)約22m。圖像3D重建采用了時(shí)間切片技術(shù)，將不同時(shí)間強(qiáng)度信息切片求和作為相應(yīng)桶探測(cè)器值，分別與參考探測(cè)器光場(chǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，最終分別恢復(fù)出對(duì)應(yīng)距離的圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（b）、圖5（c）和圖5（d）所示。在圖5（d）中，上半部分為不同時(shí)刻的回波信號(hào)；下半部分對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻回波時(shí)間切片重建的3D目標(biāo)圖像［29］。

需要強(qiáng)調(diào)的是，上述報(bào)道中計(jì)算量子成像技術(shù)采用可預(yù)置調(diào)制發(fā)射光場(chǎng)技術(shù)，無(wú)需再采用參考陣列探測(cè)器，工程實(shí)踐上優(yōu)于傳統(tǒng)方案。這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟了聯(lián)系結(jié)構(gòu)光照明成像和計(jì)算量子成像兩個(gè)研究領(lǐng)域的大門，進(jìn)一步推動(dòng)了量子成像技術(shù)的工程化進(jìn)程。

量子成像激光雷達(dá)比傳統(tǒng)激光雷達(dá)有哪些優(yōu)勢(shì)？2012年，美國(guó)MIT學(xué)者專門就這一問(wèn)題進(jìn)行了理論分析論證。圖6（a）是計(jì)算量子成像激光雷達(dá)方案，圖6（b）為傳統(tǒng)激光雷達(dá)方案。如果發(fā)射和接收端都存在大氣湍流和散射，兩種雷達(dá)方案都不能獲得高信噪比成像。量子成像激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)在于:1）發(fā)射端光路不存在大氣湍流和散射，但接收端存在，此時(shí)量子成像質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)激光雷達(dá)。2）量子成像激光雷達(dá)只需單像素光電探測(cè)器，高性能單像素探測(cè)器件相比于陣列探測(cè)器制作工藝和技術(shù)難度低，容易獲得高性能指標(biāo)，此時(shí)量子成像激光雷達(dá)表現(xiàn)更出色。3）當(dāng)組建激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，量子成像激光雷達(dá)只需要一個(gè)發(fā)射照明光源，多個(gè)地理位置單像素探測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)多角度探測(cè)成像。相比于需要多個(gè)高分辨?zhèn)鞲衅麝嚵械膫鹘y(tǒng)激光雷達(dá)，前者成本低、傳感網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單。另外，相比于掃描式激光雷達(dá)，量子成像激光雷達(dá)具有采樣次數(shù)更少的優(yōu)勢(shì)［38］。

圖6　計(jì)算量子成像激光雷達(dá)與傳統(tǒng)激光雷達(dá)的方案對(duì)比Fig.6 Setup for 3D computational quantum imaging in reflection and for conventional 3D imaging lidar

綜上，計(jì)算量子成像激光雷達(dá)方案具有的優(yōu)勢(shì)可歸納為以下幾點(diǎn):

1）采樣次數(shù)突破采樣定理，采集速度可更快。由于采用壓縮感知的思想，量子成像實(shí)際上可以直接采集物體稀疏表象下的信號(hào)。2）只利用單像素探測(cè)器，成本低。3）組建激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，復(fù)雜度低。

3.2接收端調(diào)制接收?qǐng)D像的后調(diào)制方案

調(diào)制接收?qǐng)D像的后調(diào)制方案，首先將目標(biāo)物體成像到空間光調(diào)制器上，調(diào)制后由桶探測(cè)器接收總光強(qiáng)，最初解算物體灰度圖像采用壓縮感知理論。壓縮感知理論由Candes、Donoho、Tao等于2006年正式提出，壓縮感知理論的典型應(yīng)用之一是萊斯大學(xué)所提出的單像素相機(jī)方案，2008年萊斯大學(xué)先后實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光單像素成像和太赫茲波段單像素成像［17］。2011年，羅切斯特大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)了單像素3D激光雷達(dá)，利用單光子探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)距離2.1m，縱向分辨率30cm物體三維圖像，無(wú)需單光子陣列探測(cè)器［31］。2013年，羅切斯特大學(xué)進(jìn)一步發(fā)展了單光子計(jì)數(shù)3D激光雷達(dá)，原理如圖7所示。該裝置光功率為0.5pW（皮瓦）可實(shí)現(xiàn)成像，實(shí)驗(yàn)表明成像在256×256像素圖像實(shí)際采樣時(shí)間低至3s，32×32像素分辨率下視頻采集達(dá)到14f/s（幀/秒）［39］。圖8（a）為經(jīng)典相機(jī)拍攝的圖像，圖8（b）為單像素相機(jī)雷達(dá)獲得的灰度圖像，圖8（c）為灰度與距離的融合圖像，圖8（d）為場(chǎng)景的深度圖像。

圖7　光子計(jì)數(shù)單像素相機(jī)雷達(dá)方案Fig.7 Setup for single pixel 3D imaging lidar

圖8　基于光子計(jì)數(shù)的單像素激光雷達(dá)成像結(jié)果Fig.8 Experimental results of the single pixel 3D lidar

2012年～2013年，加利福尼亞大學(xué)Olivas等從工程化角度深入研究了單像素相機(jī)成像信噪比與測(cè)量矩陣的關(guān)系［32］。實(shí)驗(yàn)原理示意圖如圖9所示，將待測(cè)目標(biāo)圖像用佳能相機(jī)鏡頭成像到DMD，光電探測(cè)器采集DMD調(diào)制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行算法重建。

文章研究了三類測(cè)量基，即:Noiselet變換基、Hadamard變換基和離散余弦變換基（Discrete Cosine Transform，DCT），各自對(duì)應(yīng)實(shí)空間圖像如圖10所示。Noiselet變換基、Hadamard變換基是二值矩陣，離散余弦變換基具有8比特（bit）灰度。實(shí)驗(yàn)中，各組變換基隨機(jī)選取1％，Noiselet和 Hadamard基占內(nèi)存大小為250 MB，離散余弦變換基為7.4 GB；各組基數(shù)據(jù)采集時(shí)間和采集占用內(nèi)存分別為1.4min和163 KB。圖11為三類測(cè)量基在總像素1％采樣下分別得到的結(jié)果，所有圖像大小均為256×256像素。圖11中，上排為彩色融合圖像，下排為近紅外灰度圖像。

圖9　單像素相機(jī)實(shí)驗(yàn)光路示意圖Fig.9 Experimental light path of for single pixel camera

圖10　三類測(cè)量基圖像Fig.10 Images of three types of transform base

上述實(shí)驗(yàn)的重要結(jié)論是:1）單像素相機(jī)成像質(zhì)量可以和經(jīng)典相機(jī)相同，成像速度受限于調(diào)制器件。2）單像素相機(jī)主要優(yōu)勢(shì)在于，只針對(duì)某一具體特征的目標(biāo)成像。

2014年，中科院空間中心翟光杰團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于互補(bǔ)調(diào)制的單像素遙感成像，圖像64×64像素，分辨率20cm@2km，未提及成像速度［20］。2014年，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Padgett團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了最高分辨率3μm@128×128像素的可見(jiàn)光和近紅外雙波段同時(shí)成像的單像素顯微鏡，幀頻0.6Hz［18］，開(kāi)啟了單像素相機(jī)用于顯微領(lǐng)域的可能性。實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

2015年～2016年，筆者所在團(tuán)隊(duì)借鑒中科院空間中心翟光杰團(tuán)隊(duì)互補(bǔ)調(diào)制方案與英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Padgett團(tuán)隊(duì)Hadamard變換成像方案，提出了快速Hadamard變換差分探測(cè)遙感成像方案，搭建了原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)17km的自然目標(biāo)成像。實(shí)驗(yàn)裝置如圖13（a）所示，實(shí)驗(yàn)裝置尺寸為30cm×30cm×60cm，重量約25kg；如圖13（b）所示，光學(xué)設(shè)計(jì)上采用了差分探測(cè)的雙探測(cè)器差分方案，DMD像素1920×1080，調(diào)制速度最快為10.7KHz；圖13（c）對(duì)應(yīng)成像幀頻為10Hz，圖像大小32×32像素；圖13（d）對(duì)應(yīng)成像幀頻為2.5Hz，圖像大小64×64像素；圖13（e）對(duì)應(yīng)成像幀頻為0.6Hz，圖像大小128×128像素［21］。上述圖像的距離分別為17km、5km和1km左右。研究發(fā)現(xiàn)，快速Hadamard變換差分探測(cè)遙感成像方案具有抗干擾能力強(qiáng)、成像速度快、對(duì)硬件和內(nèi)存資源要求低的特點(diǎn)，適合進(jìn)一步工程化研究。

圖11　三類測(cè)量基在總像素1％采樣下分別得到的結(jié)果Fig.11 Images recovered by single pixel camera with three types of 1％transformed bases

圖12　可見(jiàn)光和近紅外雙波段單像素顯微成像Fig.12 Setup for single pixel microscope imaging with daul band wavelength：visible light and infrared light

圖13　快速Hadamard變換差分探測(cè)遙感成像方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Fast Hadamard transform differential detection for remote sensing imaging and its experimental result

4 總結(jié)與展望

針對(duì)諸多量子成像技術(shù)方案，可從以下幾個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比總結(jié)。

1）糾纏光源量子成像技術(shù)，受限于糾纏光源亮度，目前適合在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)用，具有超分辨顯微成像應(yīng)用潛力。

2）經(jīng)典光源量子成像技術(shù)分為兩類技術(shù)方案，即主動(dòng)調(diào)制發(fā)射光場(chǎng)的前調(diào)制技術(shù)方案和接收端調(diào)制接收?qǐng)D像技術(shù)方案。

主動(dòng)調(diào)制發(fā)射光場(chǎng)的技術(shù)方案潛在發(fā)展方向是計(jì)算量子成像激光雷達(dá)，具有如下優(yōu)勢(shì):①采樣次數(shù)突破采樣定理，數(shù)據(jù)采集速度快；②利用單像素探測(cè)器，成本低；③可組建激光雷達(dá)成像網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，復(fù)雜度低。

接收端調(diào)制接收?qǐng)D像技術(shù)方案，主要是單像素相機(jī)技術(shù)方案。單像素相機(jī)技術(shù)方案同樣可以應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)單像素3D激光雷達(dá)，理論上比傳統(tǒng)激光雷達(dá)靈敏度更高、成本更低。但無(wú)論是單像素相機(jī)還是單像素3D激光雷達(dá)，相對(duì)于傳統(tǒng)的陣列相機(jī)技術(shù)水平，目前制約量子成像工程化應(yīng)用的最大問(wèn)題是成像速度與圖像信噪比的相互制約，故需要權(quán)衡兩者，其中針對(duì)特定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)探測(cè)和凝視成像是值得研究的方向。

［1］Klyshko D N.Quantum optics:quantum，classical，and metaphysical aspects［J］.Physics-Uspekhi，1994，37（11）:1097.

［2］Pittman T B，Shih Y H，Strekalov D V，et al.Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement［J］. Physical Review A，1995，52（5）:R3429.

［3］Abouraddy A F，Saleh B E A，Sergienko A V，et al.Role of entanglement in two-photon imaging［J］.Physical Review Letters，2001，87（12）:123602.

［4］Bennink R S，Bentley S J，Boyd R W.“Two-photon”coincidence imaging with a classical source［J］.Physical Review Letters，2002，89（11）:113601.

［5］Gatti A，Brambilla E，Bache M，et al.Correlated imaging，quantum and classical［J］.Physical Review A，2004，70（1）:013802.

［6］Bennink R S，Bentley S J，Boyd R W，et al.Quantum and classicalcoincidenceimaging［J］.PhysicalReview Letters，2004，92（3）:033601.

［7］Gatti A，Brambilla E，Bache M，et al.Ghost imaging withthermal light:comparing entanglement and classicalcorrelation［J］.PhysicalReviewLetters，2004，93（9）:093602.

［8］Cheng J，Han S S.Incoherent coincidence imaging and its applicability in X-ray diffraction［J］.Physical Review Letters，2004，92（9）:093903.

［9］Xiong J，Cao D Z，Huang F，et al.Experimental observation of classical subwavelength interference with thermallike light［J］.Physics，2004:0410020.

［10］Cao D Z，Xiong J，Wang K.Geometrical optics in correlated imaging systems［J］.Physical Review A，2005，71（1）:013801.

［11］Cai Y J，Zhu S Y.Ghost imaging with incoherent and partially coherent light radiation［J］.Physical Review E，2005，71（5）:056607.

［12］Zhang D，Zhai Y H，Wu L A，et al.Correlated twophoton imaging with true thermal light［J］.Optics Letters，2005，30（18）:2354-2356.

［13］Zhai Y H，Chen X H，Zhang D，et al.Two-photon interference with true thermal light［J］.Physical Review A，2005，72（4）:043805.

［14］Shapiro J H.Computational ghost imaging［J］.Physical Review A，2008，78（6）:061802.

［15］Bromberg Y，Katz O，Silberberg Y.Ghost imaging with a single detector［J］.Physical Review A，2009，79（5）:053840.

［16］Katz O，Bromberg Y，Silberberg Y.Compressive ghost imaging［J］.AppliedPhysicsLetters，2009，95（13）:131110.

［17］Duarte M F，Davenport M A，Takhar D，et al.Singlepixel imaging via compressive sampling［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2008，25（2）:83-91.

［18］Radwell N，Mitchell K J，Gibson G M，et al.Single-pixel infrared and visible microscope［J］.Optica，2014，1（5）: 285-289.

［19］Single-pixelghostmicroscopybasedoncompressed sensing and complementary modulation［EB/OL］.https: //www.researchgate.net/publication/271448272_ Single-pixel_ghost_microscopy_based_on_ compressed_sensing_and_complementary_ modulation，2015.

［20］Yu W K，Liu X F，Yao X R，et al.Complementary compressive imaging for the telescopic system［J］.Scientific Reports，2014，4（4）:5834-5834.

［21］Li M F，Mo X F，Zhao L J，et al.Single-pixel remote imaging based on Walsh-Hadamard transform［J］.Acta Physica Sinica，2016，65（6）:064201.

［22］Cheng J.Ghost imaging through turbulent atmosphere.［J］.Optics Express，2009，17（10）:7916-7921.

［23］Zhang P，Gong W，Xia S，et al.Correlated imaging through atmospheric turbulence［J］.Physical Review A，2010，82（3）:5183-5191.

［24］Meyers R E，Deacon K S，Shih Y.Turbulence-free ghost imaging［J］.AppliedPhysicsLetters，2011，98（11）:111115.

［25］Meyers R E，Deacon K S，Shih Y.Positive-negative turbulence-free ghost imaging［J］.Applied Physics Letters，2012，100（13）:131114.

［26］Shi D，F(xiàn)an C，Zhang P，et al.Two-wavelength ghost imagingthroughatmosphericturbulence.［J］.Optics Express，2013，21（2）:2050-2064.

［27］Gong W L，Han S S.Super-resolution far-field ghost imaging via compressive sampling［EB/OL］.https://arxiv.org/pdf/0911.4750v2.pdf，2009.

［28］Zhao C Q，Gong W L，Chen M L，et al.Ghost imaging lidarviasparsityconstraints［J］.AppliedPhysics Letters，2012，101（14）:141123.

［29］Gong W L，Zhao C Q，Jiao J，et al.Three-dimensional ghost imaging ladar［EB/OL］.https://arxiv.org/abs/ 1301.5767，2013.

［30］Sun B，Edgar M P，Bowman R，et al.3D computational imaging with single-pixel detectors［J］.Science，2013，340（6134）:844-847.

［31］Howland G A，Dixon P B，Howell J C.Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging［J］.Applied Optics，2011，50（31）:5917-5920.

［32］Olivas S J，Rachlin Y，Gu L，et al.Characterization of a compressive imaging system using laboratory and natural light scenes［J］.Applied Optics，2013，52（19）:4515-4526.［33］Erkmen B I，Shapiro J H.Unified theory of ghost imaging with Gaussian-state light［J］.Physical Review A，2008，77（4）:043809.

［34］Ferri F，Magatti D，Lugiato L A，et al.Differential ghostimaging［J］.PhysicalReviewLetters，2010，104（25）:253603.

［35］Li MF，ZhangYR，LuoKH，etal.Time-correspondence differential ghost imaging［J］.Physical Review A，2013，87（3）:2285-2285.

［36］Li M F，Zhang Y R，Liu X F，et al.A double-threshold technique for fast time-correspondence imaging［J］.Applied Physics Letters，2013，103（21）:211119.

［37］Erkmen B I.Computational ghost imaging for remote sensing［J］.Journal of the Optical Society of America A， 2012，29（5）:782-789.

［38］Hardy N D，Shapiro J H.Computational ghost imaging versus imaging laser radar for 3D imaging［J］.Physical Review A，2012，87（2）:117-122.

［39］Howland G A，Lum D J，Ware M R，et al.Photon counting compressive depth mapping［J］.Optics Express，2013，21（20）:23822-23837.

The Key Technics in Quantum Imaging and Its Researching Status

LI Ming-fei1，2，MO Xiao-fan1，2，ZHANG An-ning1，2
（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039；2.Quantum Engineering Research Center，China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100871）

Quantum imaging has been realized with entanglement light source since 1995，and has the history more than two decades.Nowadays，many research fields and technolgies，such as compressive sensing，lidar and structure light illumination，are combined by quantum imaging technically and formed some new crossed subjects.In this paper，the histories of the quantum imaging are reviewed briefly，the key technical researching results in most recent years are analysised，and the future development trends of quantum imaging are also discussed.

quantum imaging；enganglement light source；compressive sensing；lidar；structure light illumination

O431.2

A

1674-5558（2016）07-01296

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.001

李明飛，男，光學(xué)專業(yè)，博士，工程師，研究方向?yàn)榱孔映上?、圖像處理何結(jié)構(gòu)光照明。

2016-07-26