南京理工大学电光学院陈钱、左超教授团队在可编程无透镜全息相机领域最新研究进展

　　近日，南京理工大学电子工程与光电技术学院陈钱、左超教授课题组提出了一种基于可编程掩膜的极简光学成像方法——可编程菲涅尔波带孔径无透镜成像技术。相关成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”为题，发表于国际顶级期刊Science Advances。电光学院2022级硕士研究生张许与2019级博士研究生王博文为共同第一作者，陈钱教授与左超教授为共同通讯作者，我校为第一完成单位和通讯单位。
 

　　传统光学成像系统主要依赖图像传感器与光学镜头的协同配合，分别实现光信号的记录与聚焦。近年来，随着手机摄影和可穿戴设备等应用的快速发展，图像传感器已实现小型化与低成本化，基本满足了大部分应用场景对轻量化与经济性的需求。然而，光学镜头，尤其是高性能镜头，仍面临体积大、重量重、制造成本高等问题，严重制约了成像系统在虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)和人机交互等对轻量化要求较高场景下的应用，成为当前制约系统整体性能提升与应用拓展的关键瓶颈。
 

　　无透镜成像技术通过引入前端光学编码掩模，以替代传统透镜对光场的调控，并结合后端数字计算实现光场信息解调，从而有效降低传统光学成像系统的成本与体积，实现非相干光场高维感知与相位反演。然而，现有静态掩模由于掩模结构固定、系统参数难以根据场景需求灵活调节，使得系统在复杂或非理想条件下容易出现混叠伪影、重建病态等问题，影响成像质量和可用性。因此，如何在保持无透镜成像“极简光学”的基本架构下，进一步提升系统分辨率、信噪比，并增强对复杂动态场景的适应能力，是该领域亟待突破的核心问题与技术挑战。
 

　　为解决上述问题，研究团队创新性地引入“编码调控”的理念，提出了一种基于“可编程掩膜”的极简光学成像技术——可编程菲涅尔波带孔径(Fresnel Zone Aperture，FZA)无透镜成像方法(LenslessImaging with aProgrammable Fresnel Zone Aperture，简称LIP)。通过在可编程掩膜上动态显示具有空间偏移的FZA图案，LIP能够在频域实现子孔径的信息调制与采集，并利用并行重建算法融合各子孔径数据，从而获得高分辨率、高信噪比的无透镜全息图像(图1)。
 

　　图1可编程FZA无透镜全息成像系统示意图。(A)成像系统构成与原理示意图；(B)基于空域-频域联合优化的无透镜成像框架与编码调控策略；(C)团队自主研发的小型化LIP无透镜成像模组
 

　　图源：Science Advances
 

　　研究团队提出的LIP成像框架基于“空域-频域联合优化”策略，从两个维度同时提升成像性能(图2)：在空域方面，综合考虑频谱采样、角视场与信号完整度等要素，提出了FZA最优参数的空域设计准则，以最大程度地保证中心频谱的采样与避免混叠伪影的发生，并实现成像视场与成像分辨率的平衡；在频域方面，通过可编程液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)实现对FZA中心孔径的“偏移”调制，等效为在频域中采集多子孔径信息，并利用并行算法对各子孔径复振幅进行融合，进一步提升重建图像的分辨率与信噪比。这一联合优化策略不仅突破了传统静态掩模所面临的重建不适定性问题，也赋予LIP系统在不同场景下灵活切换编码数量与模式的能力，从而实现成像质量与成像速度的自适应调节。
 

　　图2基于空域-频域联合优化的无透镜成像框架原理演示。(A), (B)空域像素精确采样与最优参数匹配；(C), (D)频域FZA偏移调制与并行合成
 

　　图源：Science Advances
 

　　基于自主研发的小型化LIP成像模组，研究团队通过静态分辨率与动态实时成像两方面实验，系统性验证了LIP在成像分辨率、成像信噪比以及混叠伪影抑制等方面的成像性能。与传统静态调制无透镜成像方法相比，所提出的LIP在测试标准分辨率靶标与复杂彩色纹理目标时，分辨率提高2.5倍，信噪比增强3 dB，能够抑制高分辨时易出现的混叠伪影(图3)。
 

　　图3 LIP的静态分辨率表征与复杂物体成像测试结果。(A)实验场景示意图；(B)分辨率测试结果；(C), (D)复杂彩色纹理目标测试结果
 

　　图源：Science Advances
 

　　在动态手势交互场景下，通过自适应切换编码调控策略，LIP可稳定实现15 fps的重建帧率，对如点击、缩放、拖动、旋转等常见手势交互动作进行准确捕捉与识别，在压缩成像系统体积(减少约90%)的同时，保持了高质量、高帧率的实时动态成像性能(图4)。未来，在“空域-频域协同优化”与“可编程掩模”的双重加持下，以及新型空间光调制器件、智能算法与微纳制造工艺的持续进步下，LIP有望在小型化、多模态及高维度等方面得到进一步拓展与应用，为生物医学、安防监控、智能交互、国防安全等领域提供“极简光学”计算成像方案。
 

　　图4动态手势交互应用。(A) VR手势交互应用场景示意；(B) LIP无透镜成像模组与传统相机模组的体积对比；(C), (D)所设计的四组交互手势及其动态重建结果；(E), (F)使用LIP无透镜成像模组进行VR手势交互实验
 

　　图源：Science Advances
 

　　上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、基金委国家重大科研仪器研制项目、基金委联合基金重点项目、中央高校基础科研业务费专项资金等项目的支持。