成像专题 | 高分辨率波前传感器 (Light: Science & Application)

高分辨率波前传感器

WISH: Wavefront Imaging Sensor with High Resolution

本期导读

波前传感器可以同时测量入射光场的幅度和相位，具有广泛的应用价值。诸如Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）之类的传统波前传感器在空间分辨率和相位估计之间存在的制约，因此只能实现几千个像素的分辨率。为了打破这一限制，来自美国莱斯大学（Rice University）的研究人员提出了一种基于计算成像的新颖技术，高分辨率波前传感器。通过空间光调制器（SLM），图像传感器，和相位检索算法，实现了千万像素分辨率的波前重建，比商用SHWFS高几个数量级。基于此波前传感器，研究人员还展示了在远距离成像，散射介质成像，以及三维立体测量中的应用。该研究内容及其拓展研究，以论文WISH: wavefront imaging sensor with high resolution发表于光学顶级学术期刊《自然｜光：科学与应用》，及论文WISHED: Wavefront imaging sensor with high resolution and depth ranging发表于IEEE《国际计算摄影会议（ICCP）》。

技术路线

该方案的核心思路是协同设计光学器件与算法来为传统成像技术开发新的解决方案。该波前传感器（WISH）由SLM，CMOS传感器，图像处理器组成。WISH成像的工作原理：首先使用多个随机SLM图案调制光场，并采用CMOS传感器记录下相应的光强；然后，使用相位检索算法来估计被测物的光场。

相位检索迭代算法示意：通过在传感器平面上反复执行强度约束，并对SLM平面上多个模式的估计值求平均，可以恢复出的高分辨率波前

检测流程示意：通过在SLM上投影八个随机相位图案并采集相应的图像，WISH恢复了对指纹样品的高分辨率光强和相位重建

应用实例

• 基于菲涅耳透镜实现远距离高分辨率成像

将WISH与轻便且便宜的菲涅耳透镜组合使用可以实现远距离高分辨率成像。菲涅耳透镜在此起着两个重要作用：（a）增加有效光圈大小；（b）将光聚焦到一个小的区域上，以提高信噪比。但是，由于像差和畸变，菲涅尔透镜本身无法在传感器上产生高质量的图像。WISH能够在计算上补偿这些像差和畸变，从而实现大孔径下的衍射极限成像。

（上）实验装置图，（中）WISH测量得到的菲涅耳透镜的幅度与相位，（下）实验样品与结果

• 透过散射介质计算成像

由于散射效应，透过雾或皮肤实现成像是一项极具挑战性的任务。该研究提出，散射介质的传递函数可以建模为线性系统，如果可以进行完整的场测量，则可以将散射作用抵消，从而重建被散射体隐藏的物体。

（上）实验装置图，（中）WISH测量得到薄散射介质相位，（下）实验样品与结果

• 用于检测宏观物体的高分辨率三维传感器

尽管从相位信息中可以测得物体的深度信息，但由于深度成像范围受到光波长的限制，因此直接用作宏观物体的深度传感器是不切实际的。该团队提出了一种结合WISH与可调波长激光的新型三维传感器WISHED。通过记录两个由接近波长得到的波场，可以将深度成像范围从光线波长，扩大到了1,000倍，从而被用于宏观物体。

（左）实验示意图，（右）单波长的WISH与多波长WISHED在测量范围与精度的对比

（左，右）两个相近波长得到的相位图。（下）宏观Bunny模型的3D结构重建

论文信息：

• Yicheng Wu, Manoj Kumar Sharma, and Ashok Veeraraghavan. WISH: wavefront imaging sensor with high resolution. Light: Science & Applications 8.1 (2019).

• Yicheng Wu, Fengqiang Li, Florian Willomitzer, Ashok Veeraraghavan, Oliver Cossairt. WISHED: Wavefront imaging sensor with high resolution and depth ranging. IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP), 2020.

技术详见：

https://yichengwu.github.io/wish/

https://yichengwu.github.io/wished/

*该技术分享所涉及文字及图片源于作者提供及网络公开素材,不做任何商业用途。

回顾与预告

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