據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，清華大學(xué)方璐副教授和戴瓊海院士等研究人員提出了一種集成掃描光場(chǎng)成像傳感器，稱為元成像傳感器（meta-imaging sensor），可實(shí)現(xiàn)高速像差校正3D成像，而無(wú)需額外的硬件更改。

元成像傳感器不是直接檢測(cè)二維強(qiáng)度投影，而是通過(guò)振動(dòng)編碼微透鏡陣列捕獲超精細(xì)的四維光場(chǎng)分布，從而在后處理中靈活、精確地合成復(fù)雜場(chǎng)調(diào)制圖像。

2D成像傳感器廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)檢測(cè)、移動(dòng)設(shè)備、自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷、生物學(xué)和天文學(xué)。受益于半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像傳感器中的像素?cái)?shù)量在過(guò)去十年中增長(zhǎng)迅速。然而，使用集成傳感器獲取高密度的深度圖始終是一個(gè)挑戰(zhàn)。

自適應(yīng)光學(xué)通過(guò)可變形反射鏡陣列或空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)像差校正，以將從一個(gè)點(diǎn)發(fā)射的光線以不同角度引導(dǎo)到傳感器上的相同位置。波前像差可以通過(guò)導(dǎo)星和波前傳感器測(cè)量，也可以通過(guò)根據(jù)特定評(píng)估度量的迭代更新來(lái)測(cè)量。自適應(yīng)光學(xué)在天文學(xué)和顯微鏡領(lǐng)域都取得了巨大成功，并為重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)。

然而，由于空間不均勻像差，當(dāng)前自適應(yīng)光學(xué)方法的有效視場(chǎng)（FOV）非常小。更重要的是，當(dāng)前的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、笨重且昂貴，這使得輕量級(jí)系統(tǒng)或便攜式設(shè)備的開(kāi)發(fā)變得困難。

在本項(xiàng)工作中，研究人員提出了一種集成的掃描光場(chǎng)成像框架，包括硬件和軟件，稱為元成像傳感器，以低成本實(shí)現(xiàn)大空間帶寬產(chǎn)品的像差校正3D成像。類似于利用納米結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行前所未有的操縱的超構(gòu)表面，元成像傳感器通過(guò)振動(dòng)編碼微透鏡陣列，實(shí)現(xiàn)了空間-角度域中光場(chǎng)的快速測(cè)量和合成，這比傳統(tǒng)光場(chǎng)技術(shù)精確得多，其將光調(diào)制過(guò)程與數(shù)據(jù)采集分離。

然后，研究人員在單個(gè)集成傳感器上通過(guò)基于波動(dòng)光學(xué)的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)（digital adaptive optics，DAO）實(shí)現(xiàn)了具有多點(diǎn)像差校正的高性能3D成像。通過(guò)利用時(shí)空連續(xù)性，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于光流的運(yùn)動(dòng)校正算法，以防止運(yùn)動(dòng)偽影并保持成像速度（可以達(dá)到相機(jī)幀速率）。

元成像傳感器原理

基于光流的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)校正

在元成像傳感器中，帶有數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)的非相干合成孔徑（incoherent synthetic aperture，ISA）有兩個(gè)關(guān)鍵特性。一是波動(dòng)光學(xué)模型用于具有像差校正的高分辨率重建的必要性。光學(xué)像差不僅會(huì)移動(dòng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（point spread function，PSF），還會(huì)略微改變其強(qiáng)度分布，這在以前的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)框架中沒(méi)有考慮到。

因此，研究人員在波動(dòng)光學(xué)數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)迭代過(guò)程中使用相位生成的PSF，實(shí)現(xiàn)了更好的圖像合成和更準(zhǔn)確的像差估計(jì)。另一點(diǎn)涉及微透鏡陣列的集成掃描過(guò)程，在相鄰微透鏡之間提供虛擬的空間重疊，使得在成像透鏡的衍射極限內(nèi)不混合ISA的高頻信息。

這種掃描過(guò)程解決了空間分辨率和角度分辨率之間的內(nèi)在平衡，而傳統(tǒng)光場(chǎng)中的高空間分辨率，無(wú)論是聚焦還是非聚焦方案，都是以降低角度分辨率和景深為代價(jià)。

為了驗(yàn)證元成像傳感器的能力，研究人員對(duì)攝影、自動(dòng)駕駛、工業(yè)檢測(cè)、視頻監(jiān)控和天文學(xué)等領(lǐng)域的各種應(yīng)用進(jìn)行了定量分析。

具體而言，研究人員使用單個(gè)透鏡獲得了高達(dá)千兆像素的高性能全聚焦圖像，表明系統(tǒng)成本和容量降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)。特別是在像差嚴(yán)重不均勻的情況下，元成像傳感器的分辨率提高了十倍以上。

此外，元成像傳感器有助于在?80厘米口徑望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行直徑超過(guò)1000弧秒的多點(diǎn)像差校正，為高分辨率地面天氣觀測(cè)鋪平了道路。百萬(wàn)像素深度圖可以在毫秒級(jí)獲得，比傳統(tǒng)的光場(chǎng)相機(jī)具有更好的精度和分辨率，適用于各種工業(yè)應(yīng)用。

用于自動(dòng)駕駛和工業(yè)檢測(cè)的高速百萬(wàn)像素深度感測(cè)

審核編輯：劉清