成像专题 | 超构表面器件+算法解耦助力微型化光场光谱成像 (Nature Communications)

超构表面器件+算法解耦助力微型化光场光谱成像

Ultra-compact snapshot spectral light-field imaging

本期导读

人类和客观世界交互的信息中近70%与视觉有关，以智能手机为例，相机和显示已成为新推出手机中变量最多、研发投入也最大的元素。尤其地，光谱成像能够在记录场景信息的同时获取光线在各个波段的精细响应。如同捕捉不同物质的光学“ID”，光谱成像可以为移动支付、食品安全、环境监控等多领域应用提供技术支撑。近年来，光谱动态成像技术得到了长足发展，但光谱相机中的各类光学元件，如棱镜、光栅和掩模等往往体积庞大且难以缩小，严重阻碍了光谱成像技术的更广泛应用。

鉴于此，来自南京大学、哈尔滨工业大学和香港城市大学的研究人员提出了一种微型化光场光谱动态成像系统。该研究从计算摄像学的理念出发，将超构表面器件的色散效应进一步扩大，协同解耦算法计算成像，首次实现了微尺度条件的光场光谱动态成像。相关研究成果于近期发表于顶级期刊《Nature Communications》。

技术路线

图1 具有横向色散超构表面透镜的设计、加工与表征示意

图1a展示了横向色散的成像效果，研究团队采用相位拆分原理设计扩大的色散调控，不同波长的相位分布如图1b所示。使用这种超构表面透镜进行横向色散聚焦的数值模拟如图1c所示。图 1d显示了48×48个TiO2超构表面透镜阵列的俯视扫描电子显微镜 (SEM) 图像：每个超构表面透镜的直径为30µm，包含了超过25,000个TiO2纳米柱和纳米孔（见图1e和图1f）。其中SEM的侧视角图1g显示纳米柱具有近乎完美的垂直侧壁，这对于控制超构表面透镜阵列的有效折射率至关重要。联合研究团队大幅提升了超构表面的制备工艺，最大纵横比达到了40：1。
    该研究展示的制造工艺可以极大地提高TiO2超构表面透镜的性能并拓展其潜在应用。使用450至650nm窗口的白光照明，来自物体“4”的光线由超构表面透镜成像到传感器的不同位置，图像之间的明显偏移显示了不同波长光的横向分散（参见图1h）。

图2 光场光谱成像渲染流程图

图2展示了SLIM系统光谱光场成像的渲染流程。首先，从拍摄的原始图像中提取子孔径成像，即横向色散扩大的模糊图像。其次，对每个子孔径的横向色散模糊图像进行光谱重建。在光谱重建过程之后，光谱数据被放回原始位置。再次，对每个子图像进行光场渲染。最后，根据光谱信息渲染所需的单波长或全彩色成像。

    同色异谱现象是传统视觉检测、目标跟踪识别的盲点和难点。归功于准确的深度和光谱信息，SLIM展示了超越经典成像系统的能力。两种材料，品红色化学织物布和水彩画纸，如图3a所示，在LED灯下这两种材质呈现同色异谱现象。简单来说就是颜色相同，而光谱分布不同。其光谱曲线绘制在插图中，可以看到，在可见光范围内这两种颜色显示出非常相似的光谱分布。

图3 光场光谱成像应对带有深度的同色异谱现象

    当使用传统RGB相机拍照时，由于缺乏高分辨率的光谱信息与光场信息，只能捕获品红色“Φ”形图像（正视图3b，侧视图3c）。只有同时获取光场和光谱信息才能完整揭示这两个物体之间的材质差异和位置关系，图3d显示了符合化纤光谱材质信息的全聚焦灰度图像，从中可以清楚地识别出化纤布。相同地，也可以清楚地识别出水彩画的纸张（见图3e）。因此，SLIM的动态光谱成像能力可以更加有效和便捷的运用于材料识别和伪装鉴别；同时，SLIM的光场成像也具备先拍照后聚焦的能力，并可以获得物体的空间深度信息，如图3f，3g所示。

简单总结，受限于光谱成像庞大的体积限制，移动终端长期难以获取光谱成像能力。该研究将计算摄像学理念引入超构表面设计，提出了微型化光场光谱成像系统，可以动态获得具有高时空分辨率和光谱精度的场景信息。虽然该研究工作目前仅为实验样机系统且成像质量还有进一步提升空间，但相信其可以为光谱成像走向移动终端提供新思路。

论文信息：

• Hua, X., Wang, Y., Wang, S. et al. Ultra-compact snapshot spectral light-field imaging. Nat. Comm. (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30439-9

技术详见:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30439-9

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