【资讯】利用未知散射介质突破成像系统衍射极限的技术

  01导读

近期，国防科技大学理学院刘伟涛教授团队在透过散射介质成像方面取得进展，报道了一种利用未知散射介质突破成像系统衍射极限的技术，通过发掘由随机散射导致的光场角谱增量，利用图像测度引导的波前整形技术，实现了突破衍射极限3.39倍的超分辨成像。成像范围覆盖4倍记忆效应区间，超分辨成像在透镜系统6.6倍景深中保持有效。

研究成果以“Overcoming the Diffraction Limit by Exploiting Unmeasured Scattering Medium"为题，于2024年3月8日发表于《Optica》。

      02研究背景

光学成像在科学研究、生产生活中发挥着不可替代的作用。然而，成像路径上的散射介质(如浑浊的水、烟、雾、生物组织等)会影响光场传播，导致传统光学成像的能力下降甚至失效。穿透散射介质成像，在遥感侦察、医学成像、自动驾驶等领域有重大应用价值。

长期以来，成像路径上的随机散射被当作成像中的干扰因素，通常需要使用各种技术来避免、矫正或消除。近期研究发现，随机散射可以增强提升成像或投影系统的能力。然而，这些的方法需要对散射介质的传输矩阵进行精确测量或标定，无法用于穿透未知散射介质成像。

研究团队深耕于透过非均匀介质的光学成像以及关联成像，旨在利用光场高阶关联克服散射带来的图像质量下降。前期利用光场二阶关联标定散射介质点扩散函数，结合解卷积算法实现透过散射介质的大视场成像[OL , 43(8), 1670-1673.]。近期，提出了基于关联成像的计算波前整形方案，使得波前整形摆脱了硬件限制。

      03研究创新点

穿透未知散射薄层超分辨成像

由于光路中散射介质的散射影响，图像质量严重下降甚至于无法分辨出原物体。但原本被入瞳挡住的高空间频率的光在散射作用下可以成功被成像系统收集，经由我们提出的图像梯度的波前整形方法，以采集图像锐度作为目标函数，通过迭代优化补偿相位来矫正散射光场以消除散射介质带来的影响，最终实现超越成像系统衍射极限的透过散射介质成像。

图1利用未知散射介质突破衍射极限实验装置图及实验结果

范围覆盖4倍记忆区间，并在6.6倍透镜景深中保持超分辨

散射介质对光场散射的各向异性（称之为等晕效应或光学记忆效应），使得透散射介质成像的视场十分有限。而图像梯度的波前整形每次可以随机重建出不同位置的单个记忆区间图像，经过多次重构，可以依次恢复出不同记忆效应区间的图像，进而拼接成更大的成像视场。实验中研究团队对非荧光目标实现了跨越4倍记忆效应区间的大视场成像。

图2 跨记忆效应区间超分辨成像实验结果

受衍射原理限制，传统透镜成像系统的横向分辨率和纵向景深相互制约，分辨率越高，景深越小，难以同时实现超分辨大景深成像。在散射影响下，该制约关系被改变。通过图像梯度引导的波前整形矫正，可以突破分辨率和景深的物理限制。该系统在6.6倍物镜景深的纵向距离上保持了超分辨成像能力，同时实现了超分辨与大景深成像。

图3 大景深超分辨重建的实验结果

      04总结与展望

本文发掘散射光场中的角谱增量，利用图像测度引导的波前整形，实现了穿透散射薄层的超分辨成像，化未知随机散射为信道增量，为穿透散射介质成像提供了新的思路。然而，要穿厚透散射介质实现大视场、高分辨、高对比度的实用化光学成像，实现散射体的光学透明，仍需要原理和技术的不断突破。