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
(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
(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
(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
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/
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回顾与预告
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