【資訊】利用未知散射介質突破成像系統衍射極限的技術

  01導讀

近期，國防科技大學理學院劉偉濤教授團隊在透過散射介質成像方面取得進展，報道了一種利用未知散射介質突破成像系統衍射極限的技術，通過發掘由隨機散射導致的光場角譜增量，利用圖像測度引導的波前整形技術，實現了突破衍射極限3.39倍的超分辨成像。成像范圍覆蓋4倍記憶效應區間，超分辨成像在透鏡系統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日發表于《Optica》。

      02研究背景

光學成像在科學研究、生產生活中發揮著不可替代的作用。然而，成像路徑上的散射介質(如渾濁的水、煙、霧、生物組織等)會影響光場傳播，導致傳統光學成像的能力下降甚至失效。穿透散射介質成像，在遙感偵察、醫學成像、自動駕駛等領域有重大應用價值。

長期以來，成像路徑上的隨機散射被當作成像中的干擾因素，通常需要使用各種技術來避免、矯正或消除。近期研究發現，隨機散射可以增強提升成像或投影系統的能力。然而，這些的方法需要對散射介質的傳輸矩陣進行精確測量或標定，無法用于穿透未知散射介質成像。

研究團隊深耕于透過非均勻介質的光學成像以及關聯成像，旨在利用光場高階關聯克服散射帶來的圖像質量下降。前期利用光場二階關聯標定散射介質點擴散函數，結合解卷積算法實現透過散射介質的大視場成像[OL , 43(8), 1670-1673.]。近期，提出了基于關聯成像的計算波前整形方案，使得波前整形擺脫了硬件限制。

      03研究創新點

穿透未知散射薄層超分辨成像

由于光路中散射介質的散射影響，圖像質量嚴重下降甚至于無法分辨出原物體。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收集，經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函數，通過迭代優化補償相位來矯正散射光場以消除散射介質帶來的影響，最終實現超越成像系統衍射極限的透過散射介質成像。

圖1利用未知散射介質突破衍射極限實驗裝置圖及實驗結果

范圍覆蓋4倍記憶區間，并在6.6倍透鏡景深中保持超分辨

散射介質對光場散射的各向異性（稱之為等暈效應或光學記憶效應），使得透散射介質成像的視場十分有限。而圖像梯度的波前整形每次可以隨機重建出不同位置的單個記憶區間圖像，經過多次重構，可以依次恢復出不同記憶效應區間的圖像，進而拼接成更大的成像視場。實驗中研究團隊對非熒光目標實現了跨越4倍記憶效應區間的大視場成像。

圖2 跨記憶效應區間超分辨成像實驗結果

受衍射原理限制，傳統透鏡成像系統的橫向分辨率和縱向景深相互制約，分辨率越高，景深越小，難以同時實現超分辨大景深成像。在散射影響下，該制約關系被改變。通過圖像梯度引導的波前整形矯正，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，同時實現了超分辨與大景深成像。

圖3 大景深超分辨重建的實驗結果

      04總結與展望

本文發掘散射光場中的角譜增量，利用圖像測度引導的波前整形，實現了穿透散射薄層的超分辨成像，化未知隨機散射為信道增量，為穿透散射介質成像提供了新的思路。然而，要穿厚透散射介質實現大視場、高分辨、高對比度的實用化光學成像，實現散射體的光學透明，仍需要原理和技術的不斷突破。