追蹤光的“記憶”_風聞

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大晴天裏，我們能夠看清周圍的環境、來往行人和車輛。但是在大霧天裏，我們的眼睛雖然仍能感受到光，但卻看不清周圍的人和物。

這是因為在目標和眼睛之間存在很多小水滴，這些水滴也稱為“散射顆粒”，光在穿過它們時發生了偏折。就好像有一個巨型迷宮，人們從一個口進去，在裏面兜兜轉轉了半天終於出來了，卻不記得自己走過的路線。光也是一樣，經過大量無規分佈的散射顆粒散射後的光線，也完全失去了其初始的位置和方向信息。

生活中充滿了各類散射介質，除了雲霧霾煙、渾濁的水體等，人體也是一類散射介質。比如説，可以找一個手電筒，用手掌捂住手電筒的出光孔，這時候我們仍然能看到光，卻看不到手掌的內部結構以及手掌後面的手電筒出光孔。

 透過“雲霧”看“本質”，主要用這幾種方法

但是，看清看透雲霧、手掌等散射介質對探索科學未知是尤為重要的，所以找到相關探測方法具有重要意義。一個多世紀以來，科研人員嘗試了各種方法，研究比較深入的有幾種：

Ø 光學OCT

利用相干門（滿足特定條件能形成穩定的干涉花樣）選擇未被散射的光（這一部分光的能量隨着介質厚度的增加指數衰減），可以看清大約1mm厚的生物組織，被廣泛應用於眼底病變的篩查診斷。

Ø 光聲成像

脈衝光照射下，生物組織瞬時吸收能量快速膨脹從而發射超聲，對於超聲而言，生物組織是透明的，探測超聲可對其內部進行成像。

Ø 光學位相共軛

由於光路具有可逆性，探測散射波前並生成共軛波前，共軛反向傳播補償散射的影響，特定條件下等效透明散射介質進行成像。

Ø 散斑自相關成像

基於光學記憶效應的散斑自相關成像結構簡單、快速、無損，具有獨特的優勢。散斑自相關成像，即用非相干光，如LED燈照射物體，從物體反射的光經過散射介質後，被CCD收集。直接看CCD採集的圖，只是一些無規起伏的散斑，看不出任何物體的信息。但對散斑場做自相關運算並進行算法重構就可以得到物體清晰的像。

激光經過圓孔和散射位相屏的比較

散斑自相關成像的視場取決於記憶效應範圍，而記憶效應範圍一般很小。這是限制散斑自相關成像的瓶頸。

跟隨光的“記憶”，算出“雲霧”後的物體圖像

什麼是記憶效應呢？一束激光照射一個圓孔（沒有厚度），在觀察屏上可以看到一個圓斑。當入射激光的方向以圓孔為中心偏轉一個角度時，觀察屏上的圓斑發生一個平移，平移的距離等於偏轉角度和圓孔到屏的距離的乘積。

如果圓孔內有大量隨機分佈的散射顆粒，由於折射率的隨機漲落，這時我們在屏上看到的是一幅散斑圖。入射激光偏轉時，散斑圖案相對不變，只是整體位置發生了平移，這種現象就是光學記憶效應。即經過散射後，光子仍然保留對初始入射方向的記憶。

當然，實際的散射介質都是有厚度的，散斑圖的平移不變性範圍一般遠小於激光光斑的平移不變範圍。

我們的眼睛之所以能夠看見物體，是因為眼球是一個平移不變系統，物體不同點發出的光經過晶狀體後仍然能夠有序地排列組合在一起，在眼底形成物體的像。散斑自相關成像可以看作是一種“算法眼睛”，它能夠識別經過散射介質後物體各個點發出的光，經過變換重構成我們習慣的圖像。

**新公式：**更好地探清光如何傳播、如何被“記憶”

中科院上海光機所科研人員通過構建雙層相位屏模型，建立了關於記憶效應的新的物理圖像，並從波動光學的基礎出發嚴格推導了記憶效應範圍的公式。不同於傳統的公式，新公式對散射介質的厚度、散射係數、各項異性因子等的影響都給予了定量描述。研究人員還在微觀上區分了不同的散射成分，對不同成分的記憶效應範圍也給出了定量描述。

相比於文獻記載的關於記憶效應的理論和方法，新的物理圖像和實驗吻合得更好，對內部過程的描述也更嚴謹。光在散射介質內如何傳播，記憶效應為什麼會存在，記憶效應範圍如何變化，這些問題不再是謎題。從光的角度來説，散射介質也不再是一個光學黑盒子，其內部的特性可以被準確描述。

對記憶效應本質的研究加深了人們的認識，為擴展記憶效應範圍提高成像視場提供了理論依據。在理論的指導下，研究人員已經實現了記憶效應範圍數倍的擴展。相信在不遠的將來，我們就可以看到散斑自相關成像的實際應用。

關於記憶效應新的物理圖像，以及基於該物理圖像發展起來的一些分析和模擬方法將為更進一步的散射成像研究提供有力的工具。以後，雲霧等惡劣天氣環境將不再是生活中的障礙，醫生也可以對病人進行光學透視檢查和診斷。

相關成果發表在Photonics Research 7, 1323 (2019)。

**來源：**中國科學院上海光學精密機械研究所