成像专题 | 主动聚焦的高分辨率非视距成像技术 (Nature Photonics)

主动聚焦的高分辨率非视距成像技术

High-resolution non-line-of-sight imaging employing active focusing

本期导读

    传统成像需要一个清晰的视野，在该视野下成像系统和目标之间没有第三方阻挡，我们把这个清晰的，能够直接观测到的范围称为视距(line-of-sight)，而非视距(non-line-of-sight, NLoS)则是指目标被墙壁等物体遮挡，导致成像系统和目标之间存在无法直接观测到的范围。非视距成像当前一个非常热门的研究方向是借助成像系统和目标之间的中介散射表面绕过遮挡进行成像。一个较为直接的例子是，非视距成像希望将我们生活中的各类墙壁“变成镜子”，借助“镜子”的反射实现对非视距范围内的物体进行成像。

    目前非视距成像的手段主要有两种，一种利用飞行时间法(time-of-flight, ToF)测量光子的飞行时间，确定光子路径并由路径信息计算目标的三维位置，进而实现成像。另一种手段则是通过散射(scattering)得到散斑(speckles)的角度相关性，利用优化算法计算出物体信息。

    这两种技术能够有效地重构非视距内物体的信息，但是由于这种重构问题非常复杂，所以目前非视距成像的图像质量仍需要提升，且往往伴随着伪像(artifact)。为了在基本无需先验信息的条件下实现高分辨率，无伪像(artifact-free)的非视距成像，来自加州理工的研究人员提出了一种新的方案（下文简称为UNCOVER），即通过波前整形(wavefront shaping)直接将照射在墙壁上的光汇聚到非视距物体上。该研究于2022年5月发表在《Nature Photonics》上。

技术路线

作为一个矫正散射的手段，波前整形在最近十几年里受到了很大的关注与研究。散射导致光的相位发生随机改变，波前整形能够补偿相位改变产生的影响，从而得到任意一种需要的波前。传统的波前整形技术需要测量散射后产生的波前；或者是通过一个点物的反馈信号(feedback signal)来判断是否光线已经会聚到点上。
     然而传统波前整形技术并不适用于非视距成像，因为非视距成像问题普遍存在遮挡，导致非视距范围无法直接测量和控制，这就要求在实现非视距成像时，需通过视距内能够调控的光学手段得到墙壁的散射信息。
   UNCOVER 将非视距物体视为一个点物，通过优化小的孔径(aperture)，得到一个比物体更大的初始焦点(initial focus)。接着通过不断优化更多的小孔径，并将小孔径合成为一个更大的孔径，进而得到一个比物体小许多的最终焦点(final focus)。通过扫描这个小焦点即可对非视距物体进行成像。
    首先，UNCOVER将一个大的孔径(full aperture，对应于墙上较大的区域)划分成一系列的子孔径(sub-apertures)，如图１所示。通过阻挡掉其他位置的光，使光线只能够通过该孔径，并通过优化算法使探测器上的信号达到最强可以找到该小孔径的补偿相位。值得注意的是，该补偿相位仍有一个整体的相位偏移(phase offset)是不确定的，即需要保证这个补偿相位加上一个恒定的偏移后，光仍然能被聚焦在隐藏物体(hidden target)上。

图1 UNCOVER的概念以及简要步骤

      上文提到，在完成对每个小孔径的优化后即可得到该小孔径对应的正确补偿相位，但是其相位偏移仍然是不确定的。因此需将多个小孔径合成为大孔径，求出小孔径之间正确的相对相位偏移(relative phase offset)。UNCOVER将两个相邻的小孔径组成一组孔径对(sub-aperture pair)并对其进行优化，如图1b所示。在该过程中，孔径对的数值孔径(numerical aperture, NA)在某个方向上会比原来的NA大一倍（这里数值孔径定义中角度指的是隐藏物体上一点与墙壁上的孔径之间的角度）。

     在图1b所示的步骤里，孔径对中的一个子孔径会作为参考，通过调整另一个孔径的相位偏移使得探测器上的信号达到最强。该最强信号对应的相位偏移就是这两个孔径的最佳相对相位偏移。重复以上过程就能算出所有的相对相位偏移。利用相对相位偏移和每个小孔径对应的最佳补偿相位，就能得到整个大孔径的正确补偿相位。

      在图1c中，UNCOVER利用大孔径的补偿相位能够得到一个比隐藏物体小得多的焦点，利用散射介质的记忆效应(memory effect)，通过扫描该焦点即可对该非视距物体成像。

图2 系统示意图

  图２是UNCOVER系统的示意图，其中空间光调制器(spatial light modulator, SLM)调制光的相位，DMD用来选择优化过程中使用的孔径。SLM在墙壁上的投影即上文所说的孔径。光电倍增管(photomultiplier tube, PMT)的信号作为优化过程中的反馈信号。

图3 UNCOVER成像结果

图３展示了UNCOVER的成像结果，其中图3a为原始数据，右上角的小图是最终焦点的实际大小。图3e是隐藏物体的照片，该物体距离墙壁约0.5米，其中，字母“T”的反射率为左边方形物体的６％。从图3b中可以看出，光已经汇聚到了一个位置，当没有进行相位补偿时（图3c），只能观测到散射后形成的散斑，而无法看到单一的焦点。图3d为UNCOVER的重构结果，分辨率为0.6 mm。

总结而言，UNCOVER利用波前整形实现光的聚焦，在几乎不需要任何先验信息的条件下，能够对高对比度物体进行非视距重构并得到衍射极限下的分辨率。与飞行时间法相比，UNCOVER在同等条件下的成像分辨率提升了接近一个数量级，同时无需任何图像重构算法也能获得最终图像，有效地消除了伪像的影响。UNCOVER在探测距离和成像范围等方面仍具有很大的探索空间，随着各类非视距成像方法的发展，在不远的将来，非视距成像问题有望被进一步解决。
论文信息：

• Ruizhi Cao, Frederic de Goumoens, Baptiste Blochet, Jian Xu and Changhuei Yang. High-resolution non-line-of-sight imaging employing active focusing. Nature Photonics 16, 462–468 (2022).

技术详见：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01009-8
*该技术分享所涉及文字及图片源于发表论文和网络公开素材,不做任何商业用途。

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