可編程無透鏡全息相機(jī)：極簡計算光學(xué)成像系統(tǒng)的新范式

來源：南京理工大學(xué)

近日，南京理工大學(xué)陳錢、左超教授研究團(tuán)隊在無透鏡成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展：針對傳統(tǒng)無透鏡成像技術(shù)中“掩模固定不變、成像靈活度不足、系統(tǒng)參數(shù)難以自適應(yīng)”等瓶頸，團(tuán)隊創(chuàng)新提出了一種基于“可編程掩模”的極簡光學(xué)成像技術(shù)——可編程菲涅爾波帶孔徑（Fresnel Zone Aperture，FZA）無透鏡成像方法。建立了無透鏡成像系統(tǒng)空間域精確采樣匹配的最優(yōu)參數(shù)準(zhǔn)則，結(jié)合FZA的偏移點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)調(diào)制與頻域疊層并行融合策略，構(gòu)建了“空域-頻域”聯(lián)合優(yōu)化的可編程無透鏡成像框架，有效解決了傳統(tǒng)固定掩模無透鏡成像中難以規(guī)避的混疊與偽影問題，實(shí)現(xiàn)了高分辨率（分辨率提升2.5倍）、高質(zhì)量（信噪比提升3 dB）、多模態(tài)（靜態(tài)/動態(tài)智能切換）的實(shí)時（最高15 fps）無透鏡全息（數(shù)字重聚焦）成像，為未來計算光學(xué)成像向“高分辨、小型化、智能化”發(fā)展提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”為題，2025年3月21日發(fā)表于Science系列期刊Science Advances。

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)隊自主研發(fā)的小型化LIP無透鏡成像模組

圖源：Science Advances

傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)依賴于圖像傳感器與光學(xué)鏡頭的協(xié)同作用，分別實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字記錄與光學(xué)聚焦功能。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。但光學(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，限制了其在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等對輕量化和便攜性要求高的領(lǐng)域應(yīng)用（圖2）。

圖2- 基于透鏡的傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)

無透鏡成像技術(shù)通過引入前端光學(xué)編碼掩模調(diào)控以替代傳統(tǒng)厚重的透鏡，并在后端數(shù)字計算解調(diào)光場信息，從而有效降低傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的成本與體積。然而，傳統(tǒng)靜態(tài)調(diào)制無透鏡成像因掩模固定、參數(shù)難以調(diào)節(jié)，在復(fù)雜或非理想條件下易出現(xiàn)混疊偽影、重建病態(tài)等問題，顯著降低了成像質(zhì)量和可用性。因此，如何在保持無透鏡成像“極簡光學(xué)”架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提升分辨率、信噪比，增強(qiáng)對復(fù)雜動態(tài)場景的適應(yīng)能力，成為該領(lǐng)域所面臨的核心問題與技術(shù)挑戰(zhàn)（圖3）。

圖3- 基于計算光學(xué)的無透鏡成像技術(shù)

為解決上述問題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地引入“編碼調(diào)控”的理念，提出了一種基于“可編程掩模”的極簡光學(xué)成像技術(shù)——可編程菲涅爾波帶孔徑（FZA）無透鏡成像方法（LenslessImaging with a?Programmable Fresnel zone aperture，簡稱LIP）。通過在可編程掩模上動態(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。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4）：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，實(shí)現(xiàn)成像視場與分辨率的平衡；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。

圖4- 基于空域-頻域聯(lián)合優(yōu)化的無透鏡成像框架。(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)隊通過靜態(tài)分辨率表征與動態(tài)實(shí)時成像兩方面實(shí)驗，系統(tǒng)性驗證了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，能夠抑制高分辨重構(gòu)時易出現(xiàn)的混疊偽影（圖5）。

圖5- 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)驗場景示意圖；(B)分辨率重建結(jié)果；(C), (D) 復(fù)雜彩色紋理目標(biāo)重建結(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（視頻1）。

視頻1- 動態(tài)手勢交互應(yīng)用。通過自主研發(fā)小型化LIP無透鏡成像模組對常見交互手勢進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉與識別，實(shí)現(xiàn)15fps的實(shí)時動態(tài)交互

視頻源：Science Advances

南京理工大學(xué)研究團(tuán)隊提出的“可編程菲涅爾波帶孔徑無透鏡成像”（LIP）方法，通過“空域參數(shù)優(yōu)化”與“頻域并行合成”聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)無透鏡成像混疊偽影問題的有效抑制。在“靜態(tài)模式”可以實(shí)現(xiàn)2.5倍的分辨率提升及3 dB的信噪比增強(qiáng)，在“動態(tài)模式”中可達(dá)到15 fps的實(shí)時交互幀率，并可基于全息波前數(shù)值衍射實(shí)現(xiàn)“先拍照，后聚焦”，兼顧高分辨率與實(shí)時性。未來，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)域提供性能強(qiáng)大的“極簡光學(xué)”計算成像方案。

南京理工大學(xué)智能計算成像實(shí)驗室（SCILab: www.scilaboratory.com）隸屬于南京理工大學(xué)光學(xué)工程國家一級重點(diǎn)學(xué)科帶頭人陳錢教授領(lǐng)銜的“光譜成像與信息處理”教育部長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊、首批“全國高校黃大年式教師團(tuán)隊”。實(shí)驗室學(xué)術(shù)帶頭人左超教授為教育部長江學(xué)者特聘教授、國際光學(xué)工程學(xué)會會士（SPIE Fellow）、美國光學(xué)學(xué)會會士（Optica Fellow）、英國物理學(xué)會會士（IOP Fellow），入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。實(shí)驗室致力于研發(fā)新一代計算成像與傳感技術(shù)，在國家重大需求牽引及重點(diǎn)項目支持下開展新型光學(xué)成像的機(jī)理探索、工程實(shí)踐以及先進(jìn)儀器的研制工作，并開拓其在生物醫(yī)藥、智能制造、國防安全等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。研究成果已在SCI源刊上發(fā)表論文270余篇，其中46篇論文被選作Light、Optica、AP、PhotoniX等期刊封面論文，25篇論文入選ESI高被引/熱點(diǎn)論文，論文被引近20000次。獲歐洲物理學(xué)會菲涅耳獎（Fresnel Prize）、獲中國光學(xué)工程學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎一等獎、江蘇省科學(xué)技術(shù)獎基礎(chǔ)類一等獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明展“特別嘉許金獎”等。培養(yǎng)博士生6人獲全國光學(xué)工程優(yōu)秀博士論文/提名獎、2人獲國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）光學(xué)與光子學(xué)教育獎學(xué)金、5人獲中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎、10人獲Light全國光學(xué)博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽全國百強(qiáng)。研究生獲國家獎學(xué)金30余人次，國際會議最佳報告/海報獎40余人次。學(xué)生團(tuán)隊獲全國“挑戰(zhàn)杯”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“創(chuàng)青春”、“研電賽”金獎/特等獎15次，2023年，獲“互聯(lián)網(wǎng)+”全國總冠軍。師生雙創(chuàng)事跡得到央視《焦點(diǎn)訪談》、人民網(wǎng)、新華網(wǎng)、光明日報、中國教育電視臺等百余家媒體報道，社會輻射影響廣泛。