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機械社區

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

據中科院上海光學與精密機械研究所介紹，該所科學家在國際上率先建成了第一臺激光三維強度關聯成像工程原理樣機(國際同行也稱之為“單像素三維照相機”)。據悉，該項成果來自該所研究員韓申生領銜主持的國家“863”項目“激光三維強度關聯成像技術研究”和“被動光學多光譜強度關聯成像技術研究”。項目日前在滬通過了科技部組織的專家驗收。

韓申生介紹說，該項目在國際上首次完成了實際室外典型遙感場景中的激光三維強度關聯成像實驗，并初步建立和驗證了微波凝視關聯成像的基本理論體系。

關注全球最新技術的網站“MIT技術評論”在早在今年1月29日就率先報道了中國“80后”科學家在實驗室中成功研制出這一相機的消息，據稱，用這臺相機拍照，可輕而易舉地獲取空間飛行器的全息圖像。一位署名戈登·羅素的網友詼諧地說：“有了這個技術，很快我們就能給星際飛船拍全身像了！”

平時我們所見的相機都有一個統一名稱——光學成像。而單像素3D相機所做的，是利用光和電磁波的無規漲落性質進行成像——即量子成像，俗稱“鬼”成像。

傳統光學成像都是物體反射出的一根根光線進入鏡頭，落在膠片或電子元件上，一個個光斑排列在一起，形成一幅圖像。但“鬼”成像卻把自然界想象成一個由無數光子組成的量子場。這個場里的光子會不停漲落，每一個的狀態都能計算出來。因此，要得到圖像，不再需要依靠光線進入成像鏡頭，而只需要依靠反射光波能量的探測和計算——仿佛幽靈般可以靠意念洞察一切。

3D相機可顯示出拍攝對象的三維信息（左：一般圖像右：三維成像圖片）

“在谷歌地圖的照片上，我們經常看到白云遮住了地面景物。”項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相機的重要用途之一。據介紹，該項目組在國際上首次進行了大量晴朗、夜間、云霧、雨霧等典型氣象條件下的室外遙感成像實驗。實驗實現了野外一公里量級探測距離上分辨率為1cm、超衍射極限分辨2倍以上的強度關聯成像，演示了主動照明強度關聯成像技術在三維成像能力、成像探測靈敏度以及云霧、雨霧等惡劣天氣條件下與現有遙感成像技術相比的特點和優越性。

上海光機所2012年的中期項目評估報告顯示，利用口徑僅為18mm的單像素3D照相機，可以在惡劣環境中拍攝到420mm的普通光學望遠鏡根本無法拍到的目標。由于體積和重量的大大減小，原本需要直升機攜帶的遙感設備，換成單像素3D照相機后完全可以裝載到小型無人機上。

此外，利用3D相機的全息成像，醫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；雷達偵察時，就能輕而易舉地分辨出闖入偵察區域的小亮點是一只鳥還是一架飛機，不管是民用領域還是軍用領域，隱身戰機基本上都會“失靈”。

18mm口徑3D相機和420mm口徑傳統相機在霧天進行遙感成像的效果對比圖

世界首個單像素3D照相機的誕生，背后離不開中國“80后”科研人員的“追夢”努力。去年夏天，陳明亮、李恩榮、徐旭陽、薄遵望和鄧陳進這五個男生轉戰于城市、郊區和高原、大湖邊，取得了各種氣象環境條件下的第一手漂亮數據，驗證了世界上第一個能在自然條件下應用的“量子照相機”。

在光機所的一個角落里，放著一個大集裝箱。與眾不同的是，這個集裝箱上裝著空調，側面還開了扇窗。龔文林告訴記者，這就是他們野外試驗的“移動房屋”：儀器設備幾乎堆滿了所有空間，留給人的空間，只夠4個人擠在一起站著。等卸下儀器，便可有"半個房間"，供他們在野外值守時休息。雖然有空調，那是給儀器吹的，冷熱得盡機器，不由人--當時，他們看見建筑工地的簡易住宅都羨慕。

為了運設備到試驗場地，他們和當地牧民一起，用兩米長的石條，鋪出一條路；為了獲取不同天氣條件下的設備成像數據，在高原的強烈日照下，他們的皮膚曬脫了一層又一層。

1997年，美國華裔科學家朱棣文以量子光學的成就獲得諾貝爾物理學獎，當時他惋惜地提到“共同起步”的中國同行，由于實驗經費等諸多掣肘而在這場“賽跑”中落后。他所說的“中國同行”就是上海光機所的量子光學實驗室。

如今，輪到這個實驗室的工作讓美國同行驚訝。課題組長、中國科學院上海光學精密機械研究所研究員韓申生說，當年的差距，在過去十幾年已逐漸追平。“80后”這一代“站在一個時代的門檻上，有希望在新的光學體系中占據一席之地”。