作者：大鍋天眼

在物理學中，我們經(jīng)常遇到這樣一個問題：如何通過一些散射介質(zhì)（比如大氣層、皮膚或纖維束）來觀察或成像一個物體？你可能會想，這很簡單，只要用一束激光照射物體，然后用一個探測器接收反射或透射的光就可以了。但是，問題在于，當光通過散射介質(zhì)時，它會被隨機地偏折和衍射，導致光波前發(fā)生變形。這就像你在水里看東西一樣，你會發(fā)現(xiàn)它們變得模糊和扭曲了。這種光波前的變形會降低成像的分辨率和對比度，甚至使成像變得不可能。

那么，有沒有辦法來修正光波前的變形呢？答案是肯定的。一種方法是使用自適應光學，它利用可變形的鏡子或透鏡來調(diào)節(jié)光波前，使其與散射介質(zhì)產(chǎn)生的相位延遲相抵消。但是，自適應光學有一些局限性，比如它只能修正低階的變形（也就是說，只能處理小范圍內(nèi)的偏折），而且它需要一個參考點（也叫做導星），比如一個已知位置和亮度的點光源或一個熒光標記物，來測量和反饋光波前的變形。如果沒有導星，或者導星太暗或太稀疏，那么自適應光學就無法工作。 另一種方法是使用波前整形，它利用高分辨率的空間光調(diào)制器，比如液晶顯示器或微鏡陣列，來對入射光進行精細的調(diào)制，使其在通過散射介質(zhì)后能夠聚焦到一個目標點上。

這樣就可以實現(xiàn)高階的變形修正（也就是說，可以處理大范圍內(nèi)的偏折），而且不需要導星。但是，波前整形也有一些局限性，比如它需要控制入射光的強度和相位（也就是說，需要使用相干光源），而且它需要逐點掃描目標區(qū)域（也就是說，需要使用點探測器），而且它不能處理動態(tài)的場景和變形（也就是說，需要使用靜態(tài)的物體和散射介質(zhì)）。 那么，有沒有辦法來結(jié)合自適應光學和波前整形的優(yōu)點，并且避免它們的缺點呢？答案是肯定的。這就是本文要介紹的新方法：神經(jīng)網(wǎng)絡波前整形（NeuWS）。NeuWS是一種掃描無關(guān)的波前整形技術(shù)，它利用最大似然估計、測量調(diào)制和神經(jīng)網(wǎng)絡信號表示來重建通過強靜態(tài)和動態(tài)散射介質(zhì)的衍射極限成像，而不需要導星、稀疏目標、控制照明或?qū)ｉT的圖像傳感器。

NeuWS的工作原理如下。首先，我們使用一個隨機的相位模式來調(diào)制入射光，然后用一個普通的相機來拍攝通過散射介質(zhì)的圖像。這樣，我們就得到了一個包含了物體信息和散射信息的混合圖像。 然后，我們使用一個神經(jīng)網(wǎng)絡來對混合圖像進行編碼，把它轉(zhuǎn)換成一個低維的向量。這個向量就是我們的信號表示，它可以有效地壓縮和提取混合圖像中的有用信息。 接著，我們使用一個最大似然估計來優(yōu)化信號表示，使其能夠最大化目標圖像的質(zhì)量。這個優(yōu)化過程就是我們的波前整形過程，它可以找到一個最佳的相位模式，使得入射光在通過散射介質(zhì)后能夠形成一個清晰的目標圖像。 最后，我們使用一個神經(jīng)網(wǎng)絡來對信號表示進行解碼，把它轉(zhuǎn)換成一個高維的圖像。這個圖像就是我們的重建圖像，它可以有效地去除和補償混合圖像中的散射信息。

NeuWS實驗上表現(xiàn)出了卓越的性能。研究人員在不同條件下測試了NeuWS，并與其他方法進行了比較。結(jié)果顯示，NeuWS可以實現(xiàn)導星無關(guān)、廣視場、高分辨率、衍射極限、通過強靜態(tài)和動態(tài)散射介質(zhì)捕獲靜態(tài)和動態(tài)場景的成像。 NeuWS是一種創(chuàng)新和實用的波前整形技術(shù)，它為通過散射介質(zhì)進行高質(zhì)量成像提供了一種新穎和有效的解決方案。NeuWS有著廣泛和重要的應用前景，比如空中和空間成像（通過大氣層）、生物成像（通過皮膚和人體組織）和纖維成像（通過纖維束）等。

編輯：黃飛