量子成像技术及应用---附大量彩图

课题组名称：量子成像技术及应用
课题组成员：韩申生研究员（组长）、徐文东研究员、沈夏助理研究员、赵成强助理研究员、龚文林助理研究员、李恩荣助理研究员、陈明亮助理研究员。
课题组博士后：吴建荣。
课题组博士研究生：王慧、朱东科、徐旭阳。
课题组硕士研究生：薄遵望、陈洁、陈喆、邓陈进。
研究方向简介：
量子成像是量子光学的一个重要分支，是研究在光场量子特性下所能达到的光学成像极限的问题。不同于经典成像，量子成像是利用光场的量子力学性质和其内禀并行特点，在量子水平上发展出新的光学成像和量子信息并行处理技术。相对于传统光学成像技术中通过记录辐射场的光强分布从而获取目标的图像信息的方法，量子成像则是通过利用、控制(或模拟)辐射场的量子涨落来得到物体的图像。目前课题组研究的重点是量子成像领域中的一个重要研究方向：经典热光场强度关联量子成像技术。
（注：量子关联成像技术也称为“鬼”成像技术。不使用量子光源的鬼成像技术通常称之为强度关联成像技术）

2006年，美国信息论科学家E．Candes, J. Romberg, D. Donoho等提出了一种全新的获取信号或图像的压缩感知（Compressive Sensing (CS)）理论。他们证明：对稀疏信号而言，与传统的逐点图像测量及信号恢复方法所需的采样数相比，如果信号测量矩阵可以表示为一个在时间、空间序列上均完全独立的无规噪声矩阵，则在采样数远远少于经典的奈奎斯特理论极限的情况下，可以用适当的数学工具以很高的概率完美地恢复其图像，并在此基础上发展起来一种全新的信号采样和恢复方法。因为强度关联成像中的参考光场（是服从复值高斯分布的无规噪声矩阵）满足无规噪声矩阵的复值高斯分布，所以强度关联成像的信息获取机理与压缩感知图像信息获取方式在本质上是相通的。在2009年，课题组首次将压缩感知信息理论应用到强度关联成像中，开辟了本课题组另一研究方向：压缩感知在量子关联成像中的应用。
本课题组研究的主要应用牵引目标有：
基于稀疏限制的强度关联成像技术（Ghost Imaging Sparsity Constraints (GISC)）在X光和中子、电子衍射成像中的应用；
GISC在医学生物光学成像中的应用；
GISC在空间遥感成像领域中的应用。
课题组目前承担的课题主要包括国家“863”、自然科学基金等多项研究课题。经过多年努力，课题组已经成为目前国际上量子成像研究方向的一流研究小组，主要研究成果均发表在国际一流学术期刊上。

图1. 890米目标图像重构图。（a）和（b）为原始目标图像，（b）为通过口径为420mm的天文望远镜在白天观测的结果。
（c）和（f）为目标的尺寸，（d）和(g)为通过激光强度关联试验性原理样机得到的目标图像，
(h) 为(g)上矩形框内图形的横截面图，（e）为存在小湍流情况下通过口径为420mm的天文望远镜观测结果。(Appl. Phys. Lett. 101:141123 (2012))

图2. 室外250米处的自然场景空调外机的多光谱图像

图3.不同表象下的实验结果。其中，上排表示不同表象下的稀疏系数。
（1）原始图像；（2）笛卡尔坐标表象下重构，MSE=0.1062;
（3）DWT表象下重构，MSE=0.058;（4）DCT表象下重构，MSE=0.044 。（Opt. Lett. 37:1067(2012)）

图4. 量子水平下的基于压缩感知的超分辨图像恢复(Opt. Express 20(21):23235 (2012))


近期发表的部分论文：
Yanfeng Bai, Honglin Liu, and Shensheng Han, Transmission area and correlated imaging, Opt. Express, 15(10): 6062, 2007.
Yanfeng Bai and Shensheng Han, Ghost imaging with thermal light by third-order correlation, Phys. Rev. A 76: 043828, 2007.
Yanfeng Bai, Shensheng Han, Correlated imaging of double-slit with different positions, Opt. Commun. 280(2): 393-396, 2007.
Minghui Zhang, Qing Wei, Xia Shen, Yongfeng Liu, Honglin Liu, Jing Cheng, and Shensheng Han, Lensless Fourier-transform ghost imaging with classical incoherent light, Phys. Rev. A 75: 021803, 2007.
Minghui Zhang, Qing Wei, Xia Shen, Yongfeng Liu, Honglin Liu, Yanfeng Bai, Shensheng Han, Sub-wavelength Fourier-transform imaging of a pure-phase object with thermal light, Phys. Lett. A 366(6): 569-574, 2007.
Honglin Liu, Jing Cheng, Shensheng Han, Cross spectral purity and its influence on ghost imaging experiments, Opt. Commun. 273(1): 50-53,2007.
Honglin Liu, Jing Cheng, and Shensheng Han, Ghost imaging in Fourier space, J. Appl. Phys. 102: 103102, 2007.
Honglin Liu, Xia Shen, Da-Ming Zhu, and Shensheng Han, Fourier-transform ghost imaging with pure far-field correlated thermal light, Phys. Rev. A 76: 053808, 2007.
Jing Cheng and Shensheng Han, Classical correlated imaging from the perspective of coherent-mode representation, Phys. Rev. A 76: 023824, 2007.
Honglin Liu and Shensheng Han, Spatial longitudinal coherence length of a thermal source and its influence on lensless ghost imaging, Opt. Lett. 33: 824-826, 2008.
Guanrong Ying, Qing Wei, Xia Shen and Shensheng Han, A two-step phase-retrieval method in Fourier-transform ghost imaging, Opt. Commun. 281: 5130, 2008.
Shen Xia, Bai Yanfeng, Qin Tao, Han Shensheng, Experimental Investigation of Quality of Lensless Ghost Imaging with Pseudo-Thermal Light, Chin. Phys. Lett., 25: 3968, 2008.
Pengli Zhang, Wenlin Gong, and Xia Shen, Dajie Huang, and Shensheng Han, Improving resolution by the second-order correlation of light fields, Opt. Lett. 34: 1222-1224, 2009.
Wenlin Gong, Pengli Zhang, Xia Shen, and Shensheng Han, Ghost “pinhole” imaging in Fraunhofer region, Appl. Phys. Lett. 95: 071110, 2009.
Pengli Zhang, Wenlin Gong, Xia Shen, Shensheng Han, and Rong Shu,  Homodyne detection in ghost imaging with thermal light, Phys. Rev. A 80: 033827, 2009.
Wenlin Gong and Shensheng Han, the influence of axial correlation depth of light field on lensless ghost imaging, J. Opt. Soc. Am. B 27(4):675-678, 2010.
Wenlin Gong and Shensheng Han, a method to improve the visibility of ghost images obtained by thermal light, Phys. Lett. A, 374: 1005-1008, 2010.
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Phase-retrieval ghost imaging of complex-valued objects, Phys. Rev. A, 82: 023828 (2010).
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Lens ghost imaging with thermal light: From the far field to the near field, Phys. Lett. A, 374, 3723-3725 (2010).
Shibei He, Xia Shen, Hui Wang, Wenlin Gong, and Shensheng Han, ghost diffraction without a beamsplitter, Appl. Phys. Lett. 96:181108, 2010.
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Ghost telescope and ghost Fourier telescope with thermal light, Phys. Lett. A 375(6): 990-993, 2011.
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Correlated imaging in scattering media, Opt. Lett, 36,394, 2011.
Hui Wang and Shensheng Han, Conherent Ghost Imaging based on Sparsity constraint without phase-sensitive detection, Europhys. Lett. 98: 24003 (2012).
Hui Wang, Shensheng Han and Mikhail I. Kolobov, “Quantum limits of super-resolution via Sparsity constraint” Opt. Express 20(21): 23235 (2012).
Jin Du, Wenlin Gong , and Shensheng Han, The influence of sparsity property of images on ghost imaging with thermal light, Opt. Lett. 37:1067(2012).
Wenlin Gong and Shensheng Han, Experimental investigation of the quality of lensless super-resolution ghost imaging via sparsity constraints, Phys. Lett. A 376(17): 1519–1522(2012).
Wenlin Gong and Shensheng Han, Multiple-input ghost imaging via sparsity constraints, J. Opt. Soc. Am. A 29: 1571(2012).
Chengqiang Zhao, WenlinGong, Mingliang Chen, Enrong Li, Hui Wang, Wendong Xu, and Shensheng Han, Ghost imaging lidar via sparsity constraints, Appl. Phys. Lett. 101: 141123 (2012).

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课题组名称：量子成像技术及应用
课题组成员：韩申生研究员（组长）、徐文东研究员、沈夏助理研究员、赵成强助理研究员、龚文林助理研究员、李恩荣助理研究员、陈明亮助理研究员。
课题组博士后：吴建荣。
课题组博士研究生：王慧、朱东科、徐旭阳。
课题组硕士研究生：薄遵望、陈洁、陈喆、邓陈进。
研究方向简介：
量子成像是量子光学的一个重要分支，是研究在光场量子特性下所能达到的光学成像极限的问题。不同于经典成像，量子成像是利用光场的量子力学性质和其内禀并行特点，在量子水平上发展出新的光学成像和量子信息并行处理技术。相对于传统光学成像技术中通过记录辐射场的光强分布从而获取目标的图像信息的方法，量子成像则是通过利用、控制(或模拟)辐射场的量子涨落来得到物体的图像。目前课题组研究的重点是量子成像领域中的一个重要研究方向：经典热光场强度关联量子成像技术。
（注：量子关联成像技术也称为“鬼”成像技术。不使用量子光源的鬼成像技术通常称之为强度关联成像技术）

2006年，美国信息论科学家E．Candes, J. Romberg, D. Donoho等提出了一种全新的获取信号或图像的压缩感知（Compressive Sensing (CS)）理论。他们证明：对稀疏信号而言，与传统的逐点图像测量及信号恢复方法所需的采样数相比，如果信号测量矩阵可以表示为一个在时间、空间序列上均完全独立的无规噪声矩阵，则在采样数远远少于经典的奈奎斯特理论极限的情况下，可以用适当的数学工具以很高的概率完美地恢复其图像，并在此基础上发展起来一种全新的信号采样和恢复方法。因为强度关联成像中的参考光场（是服从复值高斯分布的无规噪声矩阵）满足无规噪声矩阵的复值高斯分布，所以强度关联成像的信息获取机理与压缩感知图像信息获取方式在本质上是相通的。在2009年，课题组首次将压缩感知信息理论应用到强度关联成像中，开辟了本课题组另一研究方向：压缩感知在量子关联成像中的应用。
本课题组研究的主要应用牵引目标有：
基于稀疏限制的强度关联成像技术（Ghost Imaging Sparsity Constraints (GISC)）在X光和中子、电子衍射成像中的应用；
GISC在医学生物光学成像中的应用；
GISC在空间遥感成像领域中的应用。
课题组目前承担的课题主要包括国家“863”、自然科学基金等多项研究课题。经过多年努力，课题组已经成为目前国际上量子成像研究方向的一流研究小组，主要研究成果均发表在国际一流学术期刊上。

图1. 890米目标图像重构图。（a）和（b）为原始目标图像，（b）为通过口径为420mm的天文望远镜在白天观测的结果。
（c）和（f）为目标的尺寸，（d）和(g)为通过激光强度关联试验性原理样机得到的目标图像，
(h) 为(g)上矩形框内图形的横截面图，（e）为存在小湍流情况下通过口径为420mm的天文望远镜观测结果。(Appl. Phys. Lett. 101:141123 (2012))

图2. 室外250米处的自然场景空调外机的多光谱图像

图3.不同表象下的实验结果。其中，上排表示不同表象下的稀疏系数。
（1）原始图像；（2）笛卡尔坐标表象下重构，MSE=0.1062;
（3）DWT表象下重构，MSE=0.058;（4）DCT表象下重构，MSE=0.044 。（Opt. Lett. 37:1067(2012)）

图4. 量子水平下的基于压缩感知的超分辨图像恢复(Opt. Express 20(21):23235 (2012))


近期发表的部分论文：
Yanfeng Bai, Honglin Liu, and Shensheng Han, Transmission area and correlated imaging, Opt. Express, 15(10): 6062, 2007.
Yanfeng Bai and Shensheng Han, Ghost imaging with thermal light by third-order correlation, Phys. Rev. A 76: 043828, 2007.
Yanfeng Bai, Shensheng Han, Correlated imaging of double-slit with different positions, Opt. Commun. 280(2): 393-396, 2007.
Minghui Zhang, Qing Wei, Xia Shen, Yongfeng Liu, Honglin Liu, Jing Cheng, and Shensheng Han, Lensless Fourier-transform ghost imaging with classical incoherent light, Phys. Rev. A 75: 021803, 2007.
Minghui Zhang, Qing Wei, Xia Shen, Yongfeng Liu, Honglin Liu, Yanfeng Bai, Shensheng Han, Sub-wavelength Fourier-transform imaging of a pure-phase object with thermal light, Phys. Lett. A 366(6): 569-574, 2007.
Honglin Liu, Jing Cheng, Shensheng Han, Cross spectral purity and its influence on ghost imaging experiments, Opt. Commun. 273(1): 50-53,2007.
Honglin Liu, Jing Cheng, and Shensheng Han, Ghost imaging in Fourier space, J. Appl. Phys. 102: 103102, 2007.
Honglin Liu, Xia Shen, Da-Ming Zhu, and Shensheng Han, Fourier-transform ghost imaging with pure far-field correlated thermal light, Phys. Rev. A 76: 053808, 2007.
Jing Cheng and Shensheng Han, Classical correlated imaging from the perspective of coherent-mode representation, Phys. Rev. A 76: 023824, 2007.
Honglin Liu and Shensheng Han, Spatial longitudinal coherence length of a thermal source and its influence on lensless ghost imaging, Opt. Lett. 33: 824-826, 2008.
Guanrong Ying, Qing Wei, Xia Shen and Shensheng Han, A two-step phase-retrieval method in Fourier-transform ghost imaging, Opt. Commun. 281: 5130, 2008.
Shen Xia, Bai Yanfeng, Qin Tao, Han Shensheng, Experimental Investigation of Quality of Lensless Ghost Imaging with Pseudo-Thermal Light, Chin. Phys. Lett., 25: 3968, 2008.
Pengli Zhang, Wenlin Gong, and Xia Shen, Dajie Huang, and Shensheng Han, Improving resolution by the second-order correlation of light fields, Opt. Lett. 34: 1222-1224, 2009.
Wenlin Gong, Pengli Zhang, Xia Shen, and Shensheng Han, Ghost “pinhole” imaging in Fraunhofer region, Appl. Phys. Lett. 95: 071110, 2009.
Pengli Zhang, Wenlin Gong, Xia Shen, Shensheng Han, and Rong Shu,  Homodyne detection in ghost imaging with thermal light, Phys. Rev. A 80: 033827, 2009.
Wenlin Gong and Shensheng Han, the influence of axial correlation depth of light field on lensless ghost imaging, J. Opt. Soc. Am. B 27(4):675-678, 2010.
Wenlin Gong and Shensheng Han, a method to improve the visibility of ghost images obtained by thermal light, Phys. Lett. A, 374: 1005-1008, 2010.
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Phase-retrieval ghost imaging of complex-valued objects, Phys. Rev. A, 82: 023828 (2010).
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Lens ghost imaging with thermal light: From the far field to the near field, Phys. Lett. A, 374, 3723-3725 (2010).
Shibei He, Xia Shen, Hui Wang, Wenlin Gong, and Shensheng Han, ghost diffraction without a beamsplitter, Appl. Phys. Lett. 96:181108, 2010.
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Ghost telescope and ghost Fourier telescope with thermal light, Phys. Lett. A 375(6): 990-993, 2011.
Wenlin Gong, and Shensheng Han, Correlated imaging in scattering media, Opt. Lett, 36,394, 2011.
Hui Wang and Shensheng Han, Conherent Ghost Imaging based on Sparsity constraint without phase-sensitive detection, Europhys. Lett. 98: 24003 (2012).
Hui Wang, Shensheng Han and Mikhail I. Kolobov, “Quantum limits of super-resolution via Sparsity constraint” Opt. Express 20(21): 23235 (2012).
Jin Du, Wenlin Gong , and Shensheng Han, The influence of sparsity property of images on ghost imaging with thermal light, Opt. Lett. 37:1067(2012).
Wenlin Gong and Shensheng Han, Experimental investigation of the quality of lensless super-resolution ghost imaging via sparsity constraints, Phys. Lett. A 376(17): 1519–1522(2012).
Wenlin Gong and Shensheng Han, Multiple-input ghost imaging via sparsity constraints, J. Opt. Soc. Am. A 29: 1571(2012).
Chengqiang Zhao, WenlinGong, Mingliang Chen, Enrong Li, Hui Wang, Wendong Xu, and Shensheng Han, Ghost imaging lidar via sparsity constraints, Appl. Phys. Lett. 101: 141123 (2012).

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