趕超世界！中國單像素3D照相機(jī)讓隱形戰(zhàn)機(jī)現(xiàn)形

今年初，中科院上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所一群熱愛量子光學(xué)的“80后”科學(xué)家研制出了世界上第一臺(tái)激光三維強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像相機(jī)(國外也稱為單像素三維照相機(jī))，近日又制造出了第一臺(tái)工程樣機(jī)。盡管這種相機(jī)只有單一像素，卻可輕而易舉地獲取拍攝對(duì)象的全息圖像，在民用和軍用領(lǐng)域都將大顯身手。

“80后”科學(xué)家制造3D相機(jī)

據(jù)中科院上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所介紹，該所科學(xué)家在國際上率先建成了第一臺(tái)激光三維強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像工程原理樣機(jī)(國際同行也稱之為“單像素三維照相機(jī)”)。據(jù)悉，該項(xiàng)成果來自該所研究員韓申生領(lǐng)銜主持的國家“863”項(xiàng)目“激光三維強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)研究”和“被動(dòng)光學(xué)多光譜強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)研究”。項(xiàng)目日前在滬通過了科技部組織的專家驗(yàn)收。

韓申生介紹說，該項(xiàng)目在國際上首次完成了實(shí)際室外典型遙感場(chǎng)景中的激光三維強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)，并初步建立和驗(yàn)證了微波凝視關(guān)聯(lián)成像的基本理論體系。

關(guān)注全球最新技術(shù)的網(wǎng)站“MIT技術(shù)評(píng)論”在早在今年1月29日就率先報(bào)道了中國“80后”科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中成功研制出這一相機(jī)的消息，據(jù)稱，用這臺(tái)相機(jī)拍照，可輕而易舉地獲取空間飛行器的全息圖像。一位署名戈登·羅素的網(wǎng)友詼諧地說：“有了這個(gè)技術(shù)，很快我們就能給星際飛船拍全身像了！”

平時(shí)我們所見的相機(jī)都有一個(gè)統(tǒng)一名稱——光學(xué)成像。而單像素3D相機(jī)所做的，是利用光和電磁波的無規(guī)漲落性質(zhì)進(jìn)行成像——即量子成像，俗稱“鬼”成像。

傳統(tǒng)光學(xué)成像都是物體反射出的一根根光線進(jìn)入鏡頭，落在膠片或電子元件上，一個(gè)個(gè)光斑排列在一起，形成一幅圖像。但“鬼”成像卻把自然界想象成一個(gè)由無數(shù)光子組成的量子場(chǎng)。這個(gè)場(chǎng)里的光子會(huì)不停漲落，每一個(gè)的狀態(tài)都能計(jì)算出來。因此，要得到圖像，不再需要依靠光線進(jìn)入成像鏡頭，而只需要依靠反射光波能量的探測(cè)和計(jì)算——仿佛幽靈般可以靠意念洞察一切。

3D相機(jī)可顯示出拍攝對(duì)象的三維信息（左：一般圖像 右：三維成像圖片）

可讓隱身戰(zhàn)機(jī)失靈

“在谷歌地圖的照片上，我們經(jīng)?？吹桨自普谧×说孛婢拔铩?rdquo;項(xiàng)目組成員龔文林介紹，“但用‘鬼’成像的方法，就能在很大的程度上穿透白云，把地面看清楚。”

遙感成像是單像素3D相機(jī)的重要用途之一。據(jù)介紹，該項(xiàng)目組在國際上首次進(jìn)行了大量晴朗、夜間、云霧、雨霧等典型氣象條件下的室外遙感成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了野外一公里量級(jí)探測(cè)距離上分辨率為1cm、超衍射極限分辨2倍以上的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像，演示了主動(dòng)照明強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)在三維成像能力、成像探測(cè)靈敏度以及云霧、雨霧等惡劣天氣條件下與現(xiàn)有遙感成像技術(shù)相比的特點(diǎn)和優(yōu)越性。

上海光機(jī)所2012年的中期項(xiàng)目評(píng)估報(bào)告顯示，利用口徑僅為18mm的單像素3D照相機(jī)，可以在惡劣環(huán)境中拍攝到420mm的普通光學(xué)望遠(yuǎn)鏡根本無法拍到的目標(biāo)。由于體積和重量的大大減小，原本需要直升機(jī)攜帶的遙感設(shè)備，換成單像素3D照相機(jī)后完全可以裝載到小型無人機(jī)上。

此外，利用3D相機(jī)的全息成像，醫(yī)院就可以直接用普通光照出X光不易看出的人體軟組織的損傷、病變;雷達(dá)偵察時(shí)，就能輕而易舉地分辨出闖入偵察區(qū)域的小亮點(diǎn)是一只鳥還是一架飛機(jī)，不管是民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域，隱身戰(zhàn)機(jī)基本上都會(huì)“失靈”。

18mm口徑3D相機(jī)和420mm口徑傳統(tǒng)相機(jī)在霧天進(jìn)行遙感成像的效果對(duì)比圖

中國量子光學(xué)研究趕超世界

世界首個(gè)單像素3D照相機(jī)的誕生，背后離不開中國“80后”科研人員的“追夢(mèng)”努力。去年夏天，陳明亮、李恩榮、徐旭陽、薄遵望和鄧陳進(jìn)這五個(gè)男生轉(zhuǎn)戰(zhàn)于城市、郊區(qū)和高原、大湖邊，取得了各種氣象環(huán)境條件下的第一手漂亮數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了世界上第一個(gè)能在自然條件下應(yīng)用的“量子照相機(jī)”。

在光機(jī)所的一個(gè)角落里，放著一個(gè)大集裝箱。與眾不同的是，這個(gè)集裝箱上裝著空調(diào)，側(cè)面還開了扇窗。龔文林告訴記者，這就是他們野外試驗(yàn)的“移動(dòng)房屋”：儀器設(shè)備幾乎堆滿了所有空間，留給人的空間，只夠4個(gè)人擠在一起站著。等卸下儀器，便可有"半個(gè)房間"，供他們?cè)谝巴庵凳貢r(shí)休息。雖然有空調(diào)，那是給儀器吹的，冷熱得盡機(jī)器，不由人--當(dāng)時(shí)，他們看見建筑工地的簡易住宅都羨慕。

為了運(yùn)設(shè)備到試驗(yàn)場(chǎng)地，他們和當(dāng)?shù)啬撩褚黄穑脙擅组L的石條，鋪出一條路;為了獲取不同天氣條件下的設(shè)備成像數(shù)據(jù)，在高原的強(qiáng)烈日照下，他們的皮膚曬脫了一層又一層。

1997年，美國華裔科學(xué)家朱棣文以量子光學(xué)的成就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)他惋惜地提到“共同起步”的中國同行，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等諸多掣肘而在這場(chǎng)“賽跑”中落后。他所說的“中國同行”就是上海光機(jī)所的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

如今，輪到這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工作讓美國同行驚訝。課題組長、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員韓申生說，當(dāng)年的差距，在過去十幾年已逐漸追平。“80后”這一代“站在一個(gè)時(shí)代的門檻上，有希望在新的光學(xué)體系中占據(jù)一席之地”。