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  01導(dǎo)讀

近期，國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院劉偉濤教授團(tuán)隊(duì)在透過散射介質(zhì)成像方面取得進(jìn)展，報(bào)道了一種利用未知散射介質(zhì)突破成像系統(tǒng)衍射極限的技術(shù)，通過發(fā)掘由隨機(jī)散射導(dǎo)致的光場(chǎng)角譜增量，利用圖像測(cè)度引導(dǎo)的波前整形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了突破衍射極限3.39倍的超分辨成像。成像范圍覆蓋4倍記憶效應(yīng)區(qū)間，超分辨成像在透鏡系統(tǒng)6.6倍景深中保持有效。

研究成果以“Overcoming the Diffraction Limit by Exploiting Unmeasured Scattering Medium"為題，于2024年3月8日發(fā)表于《Optica》。

      02研究背景

光學(xué)成像在科學(xué)研究、生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，成像路徑上的散射介質(zhì)(如渾濁的水、煙、霧、生物組織等)會(huì)影響光場(chǎng)傳播，導(dǎo)致傳統(tǒng)光學(xué)成像的能力下降甚至失效。穿透散射介質(zhì)成像，在遙感偵察、醫(yī)學(xué)成像、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域有重大應(yīng)用價(jià)值。

長(zhǎng)期以來，成像路徑上的隨機(jī)散射被當(dāng)作成像中的干擾因素，通常需要使用各種技術(shù)來避免、矯正或消除。近期研究發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)散射可以增強(qiáng)提升成像或投影系統(tǒng)的能力。然而，這些的方法需要對(duì)散射介質(zhì)的傳輸矩陣進(jìn)行精確測(cè)量或標(biāo)定，無(wú)法用于穿透未知散射介質(zhì)成像。

研究團(tuán)隊(duì)深耕于透過非均勻介質(zhì)的光學(xué)成像以及關(guān)聯(lián)成像，旨在利用光場(chǎng)高階關(guān)聯(lián)克服散射帶來的圖像質(zhì)量下降。前期利用光場(chǎng)二階關(guān)聯(lián)標(biāo)定散射介質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，結(jié)合解卷積算法實(shí)現(xiàn)透過散射介質(zhì)的大視場(chǎng)成像[OL , 43(8), 1670-1673.]。近期，提出了基于關(guān)聯(lián)成像的計(jì)算波前整形方案，使得波前整形擺脫了硬件限制。

      03研究創(chuàng)新點(diǎn)

穿透未知散射薄層超分辨成像

由于光路中散射介質(zhì)的散射影響，圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降甚至于無(wú)法分辨出原物體。但原本被入瞳擋住的高空間頻率的光在散射作用下可以成功被成像系統(tǒng)收集，經(jīng)由我們提出的圖像梯度的波前整形方法，以采集圖像銳度作為目標(biāo)函數(shù)，通過迭代優(yōu)化補(bǔ)償相位來矯正散射光場(chǎng)以消除散射介質(zhì)帶來的影響，最終實(shí)現(xiàn)超越成像系統(tǒng)衍射極限的透過散射介質(zhì)成像。

圖1利用未知散射介質(zhì)突破衍射極限實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

范圍覆蓋4倍記憶區(qū)間，并在6.6倍透鏡景深中保持超分辨

散射介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)散射的各向異性（稱之為等暈效應(yīng)或光學(xué)記憶效應(yīng)），使得透散射介質(zhì)成像的視場(chǎng)十分有限。而圖像梯度的波前整形每次可以隨機(jī)重建出不同位置的單個(gè)記憶區(qū)間圖像，經(jīng)過多次重構(gòu)，可以依次恢復(fù)出不同記憶效應(yīng)區(qū)間的圖像，進(jìn)而拼接成更大的成像視場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中研究團(tuán)隊(duì)對(duì)非熒光目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了跨越4倍記憶效應(yīng)區(qū)間的大視場(chǎng)成像。

圖2 跨記憶效應(yīng)區(qū)間超分辨成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

受衍射原理限制，傳統(tǒng)透鏡成像系統(tǒng)的橫向分辨率和縱向景深相互制約，分辨率越高，景深越小，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨大景深成像。在散射影響下，該制約關(guān)系被改變。通過圖像梯度引導(dǎo)的波前整形矯正，可以突破分辨率和景深的物理限制。該系統(tǒng)在6.6倍物鏡景深的縱向距離上保持了超分辨成像能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超分辨與大景深成像。

圖3 大景深超分辨重建的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      04總結(jié)與展望

本文發(fā)掘散射光場(chǎng)中的角譜增量，利用圖像測(cè)度引導(dǎo)的波前整形，實(shí)現(xiàn)了穿透散射薄層的超分辨成像，化未知隨機(jī)散射為信道增量，為穿透散射介質(zhì)成像提供了新的思路。然而，要穿厚透散射介質(zhì)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高分辨、高對(duì)比度的實(shí)用化光學(xué)成像，實(shí)現(xiàn)散射體的光學(xué)透明，仍需要原理和技術(shù)的不斷突破。