【儀表網 研發快訊】近日，南京理工大學電子工程與光電技術學院陳錢、左超教授課題組提出了一種基于可編程掩膜的極簡光學成像方法——可編程菲涅爾波帶孔徑無透鏡成像技術。相關成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”為題，發表于國際頂級期刊Science Advances。電光學院2022級碩士研究生張許與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。
傳統光學成像系統主要依賴圖像傳感器與光學鏡頭的協同配合，分別實現光信號的記錄與聚焦。近年來，隨著手機攝影和可穿戴設備等應用的快速發展，圖像傳感器已實現小型化與低成本化，基本滿足了大部分應用場景對輕量化與經濟性的需求。然而，光學鏡頭，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，嚴重制約了成像系統在虛擬現實(Virtual Reality，VR)、增強現實(Augmented Reality，AR)和人機交互等對輕量化要求較高場景下的應用，成為當前制約系統整體性能提升與應用拓展的關鍵瓶頸。
無透鏡成像技術通過引入前端光學編碼掩模，以替代傳統透鏡對光場的調控，并結合后端數字計算實現光場信息解調，從而有效降低傳統光學成像系統的成本與體積，實現非相干光場高維感知與相位反演。然而，現有靜態掩模由于掩模結構固定、系統參數難以根據場景需求靈活調節，使得系統在復雜或非理想條件下容易出現混疊偽影、重建病態等問題，影響成像質量和可用性。因此，如何在保持無透鏡成像“極簡光學”的基本架構下，進一步提升系統分辨率、信噪比，并增強對復雜動態場景的適應能力，是該領域亟待突破的核心問題與技術挑戰。
為解決上述問題，研究團隊創新性地引入“編碼調控”的理念，提出了一種基于“可編程掩膜”的極簡光學成像技術——可編程菲涅爾波帶孔徑(Fresnel Zone Aperture，FZA)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顯示具有空間偏移的FZA圖案，LIP能夠在頻域實現子孔徑的信息調制與采集，并利用并行重建算法融合各子孔徑數據，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示意圖。(A)成像系統構成與原理示意圖；(B)基于空域-頻域聯合優化的無透鏡成像框架與編碼調控策略；(C)團隊自主研發的小型化LIP無透鏡成像模組
圖源：Science Advances
研究團隊提出的LIP成像框架基于“空域-頻域聯合優化”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最優參數的空域設計準則，以最大程度地保證中心頻譜的采樣與避免混疊偽影的發生，并實現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)實現對FZA中心孔徑的“偏移”調制，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振幅進行融合，進一步提升重建圖像的分辨率與信噪比。這一聯合優化策略不僅突破了傳統靜態掩模所面臨的重建不適定性問題，也賦予LIP系統在不同場景下靈活切換編碼數量與模式的能力，從而實現成像質量與成像速度的自適應調節。
圖2基于空域-頻域聯合優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參數匹配；(C), (D)頻域FZA偏移調制與并行合成
圖源：Science Advances
基于自主研發的小型化LIP成像模組，研究團隊通過靜態分辨率與動態實時成像兩方面實驗，系統性驗證了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。與傳統靜態調制無透鏡成像方法相比，所提出的LIP在測試標準分辨率靶標與復雜彩色紋理目標時，分辨率提高2.5倍，信噪比增強3 dB，能夠抑制高分辨時易出現的混疊偽影(圖3)。
圖3 LIP的靜態分辨率表征與復雜物體成像測試結果。(A)實驗場景示意圖；(B)分辨率測試結果；(C), (D)復雜彩色紋理目標測試結果
圖源：Science Advances
在動態手勢交互場景下，通過自適應切換編碼調控策略，LIP可穩定實現15 fps的重建幀率，對如點擊、縮放、拖動、旋轉等常見手勢交互動作進行準確捕捉與識別，在壓縮成像系統體積(減少約90%)的同時，保持了高質量、高幀率的實時動態成像性能(圖4)。未來，在“空域-頻域協同優化”與“可編程掩模”的雙重加持下，以及新型空間光調制器件、智能算法與微納制造工藝的持續進步下，LIP有望在小型化、多模態及高維度等方面得到進一步拓展與應用，為生物醫學、安防監控、智能交互、國防安全等領域提供“極簡光學”計算成像方案。
圖4動態手勢交互應用。(A) VR手勢交互應用場景示意；(B) LIP無透鏡成像模組與傳統相機模組的體積對比；(C), (D)所設計的四組交互手勢及其動態重建結果；(E), (F)使用LIP無透鏡成像模組進行VR手勢交互實驗
圖源：Science Advances
上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、基金委國家重大科研儀器研制項目、基金委聯合基金重點項目、中央高校基礎科研業務費專項資金等項目的支持。
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