【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院陳錢、左超教授課題組提出了一種基于可編程掩膜的極簡光學(xué)成像方法——可編程菲涅爾波帶孔徑無透鏡成像技術(shù)。相關(guān)成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”為題，發(fā)表于國際頂級期刊Science Advances。電光學(xué)院2022級碩士研究生張?jiān)S與2019級博士研究生王博文為共同第一作者，陳錢教授與左超教授為共同通訊作者，我校為第一完成單位和通訊單位。
傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)主要依賴圖像傳感器與光學(xué)鏡頭的協(xié)同配合，分別實(shí)現(xiàn)光信號的記錄與聚焦。近年來，隨著手機(jī)攝影和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用的快速發(fā)展，圖像傳感器已實(shí)現(xiàn)小型化與低成本化，基本滿足了大部分應(yīng)用場景對輕量化與經(jīng)濟(jì)性的需求。然而，光學(xué)鏡頭，尤其是高性能鏡頭，仍面臨體積大、重量重、制造成本高等問題，嚴(yán)重制約了成像系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)和人機(jī)交互等對輕量化要求較高場景下的應(yīng)用，成為當(dāng)前制約系統(tǒng)整體性能提升與應(yīng)用拓展的關(guān)鍵瓶頸。
無透鏡成像技術(shù)通過引入前端光學(xué)編碼掩模，以替代傳統(tǒng)透鏡對光場的調(diào)控，并結(jié)合后端數(shù)字計(jì)算實(shí)現(xiàn)光場信息解調(diào)，從而有效降低傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的成本與體積，實(shí)現(xiàn)非相干光場高維感知與相位反演。然而，現(xiàn)有靜態(tài)掩模由于掩模結(jié)構(gòu)固定、系統(tǒng)參數(shù)難以根據(jù)場景需求靈活調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)在復(fù)雜或非理想條件下容易出現(xiàn)混疊偽影、重建病態(tài)等問題，影響成像質(zhì)量和可用性。因此，如何在保持無透鏡成像“極簡光學(xué)”的基本架構(gòu)下，進(jìn)一步提升系統(tǒng)分辨率、信噪比，并增強(qiáng)對復(fù)雜動態(tài)場景的適應(yīng)能力，是該領(lǐng)域亟待突破的核心問題與技術(shù)挑戰(zhàn)。
為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入“編碼調(diào)控”的理念，提出了一種基于“可編程掩膜”的極簡光學(xué)成像技術(shù)——可編程菲涅爾波帶孔徑(Fresnel Zone Aperture，F(xiàn)ZA)無透鏡成像方法(LenslessImaging with aProgrammable Fresnel Zone Aperture，簡稱LIP)。通過在可編程掩膜上動態(tài)顯示具有空間偏移的FZA圖案，LIP能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)子孔徑的信息調(diào)制與采集，并利用并行重建算法融合各子孔徑數(shù)據(jù)，從而獲得高分辨率、高信噪比的無透鏡全息圖像(圖1)。
圖1可編程FZA無透鏡全息成像系統(tǒng)示意圖。(A)成像系統(tǒng)構(gòu)成與原理示意圖；(B)基于空域-頻域聯(lián)合優(yōu)化的無透鏡成像框架與編碼調(diào)控策略；(C)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的小型化LIP無透鏡成像模組
圖源：Science Advances
研究團(tuán)隊(duì)提出的LIP成像框架基于“空域-頻域聯(lián)合優(yōu)化”策略，從兩個維度同時提升成像性能(圖2)：在空域方面，綜合考慮頻譜采樣、角視場與信號完整度等要素，提出了FZA最優(yōu)參數(shù)的空域設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以最大程度地保證中心頻譜的采樣與避免混疊偽影的發(fā)生，并實(shí)現(xiàn)成像視場與成像分辨率的平衡；在頻域方面，通過可編程液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)實(shí)現(xiàn)對FZA中心孔徑的“偏移”調(diào)制，等效為在頻域中采集多子孔徑信息，并利用并行算法對各子孔徑復(fù)振幅進(jìn)行融合，進(jìn)一步提升重建圖像的分辨率與信噪比。這一聯(lián)合優(yōu)化策略不僅突破了傳統(tǒng)靜態(tài)掩模所面臨的重建不適定性問題，也賦予LIP系統(tǒng)在不同場景下靈活切換編碼數(shù)量與模式的能力，從而實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量與成像速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
圖2基于空域-頻域聯(lián)合優(yōu)化的無透鏡成像框架原理演示。(A), (B)空域像素精確采樣與最優(yōu)參數(shù)匹配；(C), (D)頻域FZA偏移調(diào)制與并行合成
圖源：Science Advances
基于自主研發(fā)的小型化LIP成像模組，研究團(tuán)隊(duì)通過靜態(tài)分辨率與動態(tài)實(shí)時成像兩方面實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)性驗(yàn)證了LIP在成像分辨率、成像信噪比以及混疊偽影抑制等方面的成像性能。與傳統(tǒng)靜態(tài)調(diào)制無透鏡成像方法相比，所提出的LIP在測試標(biāo)準(zhǔn)分辨率靶標(biāo)與復(fù)雜彩色紋理目標(biāo)時，分辨率提高2.5倍，信噪比增強(qiáng)3 dB，能夠抑制高分辨時易出現(xiàn)的混疊偽影(圖3)。
圖3 LIP的靜態(tài)分辨率表征與復(fù)雜物體成像測試結(jié)果。(A)實(shí)驗(yàn)場景示意圖；(B)分辨率測試結(jié)果；(C), (D)復(fù)雜彩色紋理目標(biāo)測試結(jié)果
圖源：Science Advances
在動態(tài)手勢交互場景下，通過自適應(yīng)切換編碼調(diào)控策略，LIP可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)15 fps的重建幀率，對如點(diǎn)擊、縮放、拖動、旋轉(zhuǎn)等常見手勢交互動作進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉與識別，在壓縮成像系統(tǒng)體積(減少約90%)的同時，保持了高質(zhì)量、高幀率的實(shí)時動態(tài)成像性能(圖4)。未來，在“空域-頻域協(xié)同優(yōu)化”與“可編程掩模”的雙重加持下，以及新型空間光調(diào)制器件、智能算法與微納制造工藝的持續(xù)進(jìn)步下，LIP有望在小型化、多模態(tài)及高維度等方面得到進(jìn)一步拓展與應(yīng)用，為生物醫(yī)學(xué)、安防監(jiān)控、智能交互、國防安全等領(lǐng)域提供“極簡光學(xué)”計(jì)算成像方案。
圖4動態(tài)手勢交互應(yīng)用。(A) VR手勢交互應(yīng)用場景示意；(B) LIP無透鏡成像模組與傳統(tǒng)相機(jī)模組的體積對比；(C), (D)所設(shè)計(jì)的四組交互手勢及其動態(tài)重建結(jié)果；(E), (F)使用LIP無透鏡成像模組進(jìn)行VR手勢交互實(shí)驗(yàn)
圖源：Science Advances
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委國家重大科研儀器研制項(xiàng)目、基金委聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的支持。
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