實(shí)現(xiàn)極限成像景深的超構(gòu)透鏡光場相機(jī)
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01 導(dǎo)讀
02 研究背景
景深是成像系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它是指在像平面得到清晰的目標(biāo)物體時，物方空間的前后可移動范圍。在日常攝影中，人們都習(xí)慣于先對焦后拍攝，主要是由于普通相機(jī)的景深有限，無法實(shí)現(xiàn)整個視野范圍內(nèi)的清晰成像。
拓展景深成像可以提高視野的縱向清晰范圍，在光學(xué)顯微、攝影、機(jī)器視覺、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。擴(kuò)展景深最簡單的方式就是縮小光圈，使得投影光線發(fā)散得更慢一些。但是，減小光圈將限制光學(xué)系統(tǒng)的通光量，極大的降低成像質(zhì)量。其他關(guān)于拓展景深的方法還包括機(jī)械掃描、波前編碼以及多層透明探測器疊加等。然而，這些方法在拓展景深的同時均以損失部分成像性能為代價(如通光量、時間分辨、彩色成像能力或成像保真度)。?
03 研究創(chuàng)新點(diǎn)
源于史前生物三葉蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)研究中獲取的靈感，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種高性能的大景深成像方法，從組成器件、系統(tǒng)構(gòu)架以及重構(gòu)算法三個層面構(gòu)建了一套完整的仿生光場成像系統(tǒng)(圖1)。構(gòu)建該成像系統(tǒng)的基本思想是通過充分利用超構(gòu)表面中的偏振光學(xué)特性和色散效應(yīng)，最大限度的獲取目標(biāo)場景的景深信息，再通過多尺度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像重建。
圖1 超構(gòu)表面透鏡陣列實(shí)現(xiàn)極限景深全彩成像
圖2為微納加工制備的超構(gòu)表面透鏡陣列及其性能測試表征。通常，在基于衍射器件的成像系統(tǒng)中，器件的色散效應(yīng)會引入嚴(yán)重的色差，很大程度上降低了成像質(zhì)量，這是導(dǎo)致衍射器件難以應(yīng)用于彩色成像的重要因素。而該研究反其道而行，把色散效應(yīng)當(dāng)作一種調(diào)制方式加以利用，聯(lián)合光譜與偏振維度對場景信號進(jìn)行調(diào)制。原始的場景信息經(jīng)過光譜與偏振維度的調(diào)制后被傳感器采集，后續(xù)重建算法則根據(jù)采集到的調(diào)制信號，解耦出清晰的大景深圖像。?
圖2（a）超構(gòu)表面透鏡陣列的光學(xué)顯微圖像；（b）SEM圖像；（c）雙焦超構(gòu)表面色散效應(yīng)
在成像實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)布置了具有較大縱向深度(厘米至公里量級)的實(shí)驗(yàn)場景。一塊印有不透明字母的玻璃被放置在距主鏡光闌3 cm的位置作為最近的物體，最遠(yuǎn)的高樓距離約為1.7公里。圖3a、b分別為自然光條件下像差校正前后的光場子圖像。從放大后的子圖（圖3c,d）中可以清楚地看到，成像系統(tǒng)光學(xué)像差引起的模糊效應(yīng)可以很大程度上被消除。進(jìn)一步利用圖像融合算法，可以得到整個場景的清晰圖像(圖3e)。因此，該成像系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)高分辨的大景深成像，而且可以消除由超構(gòu)表面器件引起的色差。
圖3 室外場景的成像實(shí)驗(yàn)。（a-b）分別為自然光條件下像差校正前后的光場子圖像;(c-d)為部分放大的子圖像；(e)最終重構(gòu)得到的清晰圖像
04 總結(jié)與展望
該研究工作是納米光子學(xué)與計(jì)算成像學(xué)的深度融合，同時也為未來先進(jìn)成像技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。南京大學(xué)副研究員范慶斌博士、博士研究生徐偉祝以及副研究員胡雪梅博士為該項(xiàng)工作的共同第一作者。徐挺教授、陸延青教授、岳濤副教授以及閆鋒教授為論文的共同通訊作者，南京大學(xué)為論文第一單位。
該工作得到了包括科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助，以及人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺的大力支持。?
論文鏈接：
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