本發(fā)明涉及一種基于量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)辨別微觀生物體的方法，屬于量子光學(xué)及成像技術(shù)的交叉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

顯微成像是一種觀察并識別微小物體的手段，經(jīng)典光學(xué)成像技術(shù)建立在電磁波的確定性理論模型(幾何光學(xué)、波動光學(xué))和經(jīng)典信息論基礎(chǔ)之上，通過記錄輻射場的平均光強(qiáng)(或位相)分布獲取目標(biāo)的圖像信息。經(jīng)典光學(xué)成像技術(shù)的成像探測靈敏度無法超越探測系統(tǒng)的量子噪聲極限，其成像系統(tǒng)分辨率無法超越其分辨率衍射極限，并且其掃描成像速率無法超越經(jīng)典信息論的奈奎斯特采樣極限。

相對于傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)中通過記錄輻射場的光強(qiáng)分布從而獲取目標(biāo)的圖像信息的方法，量子成像則是通過利用、控制(或模擬)輻射場的量子漲落來得到物體的圖像。美國馬里蘭大學(xué)史硯華小組在1995年首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)成像，利用波長351.1nm、激光光斑直徑2mm的氬離子激光器作為泵浦光源泵浦II型BBO晶體，產(chǎn)生一對參量下轉(zhuǎn)換的糾纏光子對，稱之為休閑光和信號光，經(jīng)過一偏振分束器，信號光與參考光分成兩路，在參考光光路中放置待測微觀生物體，通過記錄兩條光路的符合計數(shù)，可得到物體清晰的像。盡管信號光并沒有與待測微觀生物體接觸，由于信號光和休閑光是高度關(guān)聯(lián)的,在信號光端能夠呈現(xiàn)待測微觀生物體的特征信息。量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)可以達(dá)到或者突破衍射極限，通過符合測量可以有效地壓縮噪聲實(shí)現(xiàn)高分辨率高靈敏度的測量。但是該技術(shù)需要有高精度的CCD相機(jī)，使得辨別成本升高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)辨別微觀生物體的方法，該方法能夠在低成本的前提下快速準(zhǔn)確地辨別出微觀生物體。

本發(fā)明所涉及的一種基于量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)辨別微觀生物體的方法的步驟為：

步驟一、獲取一張分次曝光全息底片

將一種標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體置于全息照相底片前方，用激光束照射標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體，透射后的的光束與另一束作為參考光束的激光束共同投射到一張全息底片上；重復(fù)這一過程，將不同的微觀生物體投影到同一張全息底片上，不同的微觀生物體采用的參考光束方向不同，即不同的參考光方向唯一對應(yīng)該微觀生物體；將底片顯影、定影處理即獲得分次曝光全息底片；

步驟二

構(gòu)建糾纏光子對光路，包括用一束泵浦激光照射到BBO晶體上產(chǎn)生一對參量下轉(zhuǎn)換的糾纏光子對，分別稱為休閑光和信號光；將待測微觀生物體放在休閑光的光路上，分次曝光全息底片放到信號光的光路上，對通過待測微觀生物體的休閑光和通過分次曝光全息底片并被衍射到不同方向上的信號光分別利用普通的強(qiáng)度探測器測量后，并對測量結(jié)果符合計數(shù)即可分辨出待測微觀生物體；待測微觀生物體需為投影到分次曝光全息底片上的微觀生物體的一種。

進(jìn)一步的，所述分次曝光全息底片上投影的微觀生物體為兩種或兩種以上。

進(jìn)一步的，所述休閑光的光路上、待測微觀生物體和BBO晶體之間放置可調(diào)節(jié)濾波片。

進(jìn)一步的，所述信號光的光路上、分次曝光全息底片和每個信號光的光路上的普通的強(qiáng)度探測器之間放置可調(diào)節(jié)濾波片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明創(chuàng)新地將分次曝光全息技術(shù)和量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于微觀生物體的辨別，由于過程中使用一般的強(qiáng)度探測器，并且信號光不與成像物體接觸，實(shí)現(xiàn)了在低成本的前提下，快速、高分辨率和高靈敏度的測量。

附圖說明

圖1為標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A分次曝光全息過程示意圖；

圖2為標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體B分次曝光全息過程示意圖；

圖3為標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A全息底片讀出原理示意圖；

圖4為標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體B全息底片讀出原理示意圖；

圖5為量子關(guān)聯(lián)成像原理示意圖；

圖6為基于分次曝光全息成像和量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)辨別微觀生物體的示意圖；

其中1為激光束，2為微觀生物體A，3為參考光束a，4為全息底片a，5為微觀生物體B，6為參考光束b，7為全息底片b，8為輸出光a，9為輸出光b，10為泵浦激光，11為BBO晶體，12為休閑光，13為信號光，14為探測器，15為CCD相機(jī)，16為符合計數(shù)器，17為待測微觀生物體a，18為待測微觀生物體a的成像，19為可調(diào)節(jié)濾波片，20為待測微觀生物體b，21為光路a，22為光路b。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，此處描述的內(nèi)容僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

第一步：獲取有眾多微觀生物體投影的一張全息底片。具體如下：

首先用激光束1照射標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2，如圖1所示，將標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2置于全息照相底片正前方，激光束1垂直照射標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2，投射過標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2的激光束形成漫射式的物光束，將另一激光束作為參考光束a 3射到底片上，和物光束疊加產(chǎn)生干涉，把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。透射的物光束與參考光束a 3共同投射到全息底片上，形成記錄著標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2的干涉條紋的全息底片a 4。我們利用同樣的過程將標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體B 5投射到同一張全息底片上，唯一的不同是采用參考光束b 6，其參考光的方向與標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2的參考光即參考光束a 3的方向不同，如圖2所示。不同微觀生物體參考光方向不同，即不同的參考光方向唯一對應(yīng)該微觀生物體。這樣就制作完成了擁有標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2和標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體B5投影的分次曝光全息底片b 7。通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來，過程中要求參考光束的方向均不能相同。這個過程可以重復(fù)多次，因此這個方法可以將眾多的微觀生物體投影到一張全息底片上。之后底片再經(jīng)過顯影、定影等程序處理。該示意圖以及后面的示意圖均以區(qū)分微觀生物體A2和微觀生物體B5為例對該技術(shù)進(jìn)行闡述，但并不局限于此，特此說明。

第二步：構(gòu)建糾纏光子對光路，用一束泵浦激光照射到BBO晶體上產(chǎn)生一對參量下轉(zhuǎn)換的糾纏光子對，分別稱為休閑光和信號光。對通過待測微觀生物體的休閑光和通過全息底片并被衍射到不同方向上的信號光分別利用探測器進(jìn)行符合測量。具體如下：

量子關(guān)聯(lián)成像的原理示意圖如圖5所示，用一束泵浦激光10照射到BBO晶體11上將產(chǎn)生一對參量下轉(zhuǎn)換的糾纏光子對，稱之為休閑光12和信號光13。將待測微觀生物體a 17放置在休閑光12的光路上，對通過的休閑光12用探測器14測量，探測器14為一般的強(qiáng)度探測器、不需要高分辨率。同時用高分辨率的CCD相機(jī)15對信號光13進(jìn)行空間掃描測量，然后利用符合計數(shù)器16對兩者進(jìn)行符合計數(shù)，即可呈現(xiàn)高分辨率的待測微觀生物體a的成像18。

本發(fā)明是基于分次曝光全息成像和量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)快速辨別微觀生物體的方法。如圖6所示，用一束泵浦激光10照射到BBO晶體11上將產(chǎn)生一對參量下轉(zhuǎn)換的糾纏光子對，稱之為休閑光12和信號光13。將待測微觀生物體b 20放置在休閑光12光路中，并且對通過的休閑光12用探測器14測量，探測器14為一般的強(qiáng)度探測器、不需要高分辨率。待測微觀生物體b 20為投影到全息底片上的微觀生物體的一種。同時在信號光13的光路上放置前期制備的分次曝光全息底片b 7，信號光13在通過全息底片b 7后被衍射到不同方向上后，在分次曝光全息過程中使用的兩個參考光方向上即參考光束a3和參考光束b6方向上各放置一個探測器14，探測器14為一般的強(qiáng)度探測器。其原理如圖3和圖4所示。當(dāng)用單光子束照射微觀生物體A2，讓透射的光束投射到制備好的分次曝光全息底片b7上，此時經(jīng)過衍射通過全息底片b7的輸出光a8的方向會與制作標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2全息底片的參考光即參考光束a3方向相一致，如圖3所示。類似地，單光子束照射微觀生物體B5，通過分次曝光全息底片b7后的輸出光b9的方向與制作標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體B5全息底片的參考光即參考光束b6方向相一致，如圖4所示。因此，經(jīng)過全息底片的輸出光的方向與全息底片上的標(biāo)準(zhǔn)微觀生物體一一對應(yīng)。

休閑光12穿過待測微觀生物體b20被探測器接收，信號光13通過全息底片b7并被衍射到不同方向上后被探測器接收。基于信號光13與休閑光12的高度關(guān)聯(lián)性，信號光13在通過全息底片b 7后被衍射到不同方向上，若此方向不同于待測微觀生物體b20的參考光方向，則不可能與休閑光產(chǎn)生符合計數(shù)。設(shè)三個探測器中測量所得到的結(jié)果分別為R,S,T；R為休閑光12穿過待測微觀生物體b20被探測器14測量所得到的結(jié)果，S為信號光13通過全息底片b7中標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體B5的投影并被衍射后被探測器14測量所得到的結(jié)果即來自光路a 21的測量結(jié)果，T為信號光13通過全息底片b7中標(biāo)準(zhǔn)的微觀生物體A2的投影并被衍射后被探測器14測量所得到的結(jié)果即來自光路b 22的測量結(jié)果。對休閑光和信號光進(jìn)行符合計數(shù)，如果與休閑光符合計數(shù)的信號光來自于光路a 21，則符合計數(shù)的結(jié)果表示為C(R,S)，如果休閑光符合計數(shù)的信號光來自于光路b 22，則符合計數(shù)的結(jié)果表示為C(R,T)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果放置的微觀生物體為微觀生物體A，則符合計數(shù)的結(jié)果全部是C(R,T)；反之如果放置的微觀生物體為微觀生物體B，則符合計數(shù)的結(jié)果全部是C(R,S)。因此，我們可以通過符合計數(shù)的結(jié)果有效地分辨出待測微觀生物體。

此外，在待測微觀生物體b20和BBO晶體11之間放置可調(diào)節(jié)濾波片19，依據(jù)該微觀生物體對光的承受能力對休閑光12的強(qiáng)度、極化等進(jìn)行調(diào)節(jié)選擇，這樣可以有效地避免對微觀生物體的損傷；在全息底片b7和每個測量通過全息底片b7并被衍射到不同方向上的信號光的探測器14之間各放置一個可調(diào)節(jié)濾波片19，每個濾波片可以根據(jù)休閑光光路中的濾波片的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度、極化等調(diào)節(jié)，這樣做的目的是可以選擇信號光13中與通過的休閑光12相對應(yīng)的關(guān)聯(lián)光子，從而抑制噪聲，提高精確度。

以上是以從兩種不同的微觀生物體中辨別出待測微觀生物體為例進(jìn)行說明。在本發(fā)明中，還可以利用與第一步同樣的方法將多個微觀生物體投射到全息底片上，然后與第二步同樣的方法操作，并且將信號光在通過多個微觀生物體投射的全息底片后，在分次曝光全息過程中使用的多個參考光方向上各放置一個一般的強(qiáng)度探測器，然后用相同的方法符合計數(shù)?？稍谌⒌灼兔總€信號光的光路上的探測器之間各放置一個可調(diào)節(jié)的濾波片，每個濾波片可以根據(jù)休閑光光路中的濾波片的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度、極化等調(diào)節(jié)。這樣就利用第一步與第二步同樣的方法從多種不同的微觀生物體中辨別出待測微觀生物體。