Advanced Imaging 2024年第1期封面文章
导语
南京理工大学陈钱教授、左超教授课题组联合康涅狄格大学郑国安教授课题组，开发了一种基于波长复用的快照式合成孔径远场成像技术（Illumination-Multiplexed Snapshot Synthetic Aperture Imaging, IMSS-SAI）。通过建立相机阵列与多波长照明复用策略，结合改进的相干态多路复用傅里叶叠层算法以实现高时间分辨率的远场非干涉合成孔径成像。相比串行采集的孔径扫描成像方法，IMSS-SAI技术借助相机阵列并行采集的成像优势的同时，结合波长复用实现子孔径图像间频域解耦以获取冗余信息。文章提出的IMSS-SAI方法可在单次曝光下将成像分辨率提升至单孔径系统衍射极限的四倍以上，实现高时空分辨率的远场合成孔径探测，文章发表在Advanced Imaging期刊上并被选为第一期封面文章。
光学成像过程通常是一个点对点映射的过程，光学系统所能分辨的最小物体特征受限于光的衍射特性，即瑞利－阿贝物理衍射极限[1]。其中光学系统衍射极限与探测光波的波长以及成像系统的孔径尺寸密切相关。因此，以往的光学成像系统大部分都是以增加系统孔径作为提升分辨率的主要手段[2]。然而，光学系统加工成本与孔径尺寸的 2.76 次方成正比，导致通过增加物理孔径尺寸的方式来提升成像分辨率存在瓶颈。合成孔径技术能够基于系列小孔径实现等效大孔径的分辨能力。然而，基于镜面拼接的光学合成孔径技术通常要求相位误差控制在波长的十分之一以内来实现共相探测，苛刻的误差精度对系统的稳定性和操作的复杂性提出了更高的要求。
傅里叶叠层显微成像技术（Fourier ptychographic microscopy，FPM）是一种大视场高分辨定量相位计算显微成像技术，能够利用非干涉的方法同时实现相位恢复与孔径合成[3–5]。在此基础上，莱斯大学的Holloway等结合孔径扫描将傅里叶叠层显微成像技术进一步拓展至远场，对含有粗糙表面的漫反射物体实现了合成孔径远场成像，将目标的分辨率提升了六倍[6]。然而，在实际应用中，傅里叶叠层远场成像技术对于动态目标和场景的成像仍然面临难以实时成像的挑战：远场探测中，通常使用基于孔径扫描的傅里叶叠层成像技术对子孔径图像进行串行采集以满足冗余性要求[7]，因此在扩展孔径的同时降低了时间分辨率。孔径扫描的低时间分辨率因素限制了其在远场探测中对动态场景与运动目标实现高时间分辨率成像的能力[8]。
文章提出了相机阵列结合多波长照明复用的远场傅里叶叠层成像技术，在照明端采用R/G/B三波长混合照明[9]，在成像端采用5×5的相机阵列并行采样，其系统如图 1所示。在相机阵列进行图像采集过程中，利用最优化排布与方向调整将探测目标定位于相机视场中心从而避免图像配准。相机阵列通过记录不同子孔径的图像，获取不同位置的频谱信息，将单个子孔径图像记录的频谱范围扩展至相机阵列允许的最大频谱，从而提升了成像系统的衍射极限。
图1 IMSS-SAI系统结构图
另一方面，为了解决相机阵列所记录的子孔径图像之间冗余信息不足的问题，研究人员通过R/G/B三波长相干光对目标进行照明，此时单个孔径下获取的图像为三波长照明图像的非相干叠加图像。通过建立复用波长在频谱域中不同的偏移分布模型，使单个子孔径内不同波长照明目标图像的频谱信息之间产生交叠，过程如图 2所示。同时结合改进的相干态多路复用傅里叶叠层算法，将单个孔径的非相干叠加图像进行解耦，获取含有信息冗余的子孔径相干图像，重建流程图如图 3所示。利用相干模式分解的傅里叶叠层迭代重建算法实现单次曝光下的高效合成孔径探测。
图2 利用IMSS-SAI技术进行不同波长解耦交叠示意图
图3 IMSS-SAI的迭代重建流程图
研究人员搭建了一套R/G/B三波长照明与5×5相机阵列的IMSS-SAI系统进行实验验证。美国空军分辨率测试靶标（USAF）定量实验表明IMSS-SAI技术能够实现相对于子孔径图像的四倍分辨率提升。同时，基于全变分正则化重建过程也能够缓解目标粗糙表面引起的散斑噪声影响。图 4给出了通过IMSS-SAI对两个实验目标进行重建的结果（图 4a3-d3），实验同时对比了单个孔径成像结果（图 4a1-d1）、子孔径图像加权平均结果（图 4a2-d2）以验证分辨率提升。对目标的剖线分布的进一步分析也验证了IMSS-SAI技术能够有效抑制由漫反射目标引起的散斑噪声问题，实现高分辨、高信噪比成像。
图4 （a）单孔径低分辨率图像；（b）利用获取子孔径图像加权平均的结果；（c）利用IMSS-SAI系统获取的漫反射标签目标的高分辨成像结果
IMSS-SAI技术的一个重要特性是能够在单次曝光下实现合成孔径远场探测，因此能够对运动场景及动态目标进行实时合成孔径远场成像。为了验证这一点，研究人员利用IMSS-SAI技术对动态的场景目标实现了30帧/s实时超分辨图像成像。单帧重建结果如图 5所示，利用所搭建的系统对两米外的旋转音乐盒进行动态高分辨成像。场景中静态部分的单孔径低分辨图像 (图 5b1, c1)、子孔径图像加权平均结果 (图 5b2, c2)、利用IMSS-SAI技术重建结果(图 5b3, c3)以及重建去噪后的结果(图 5b4, c4)进行了对比，验证了其分辨率提升性能。图 5（d）为利用相机对运动目标在不同时间点重建的结果，其中高分辨重建的运动目标验证了IMSS-SAI技术的动态高分辨成像能力。对应的高分辨率动态场景重建结果如图 6所示，其中右下角的扫描区域分别展示了场景中的静态部分与运动部分的高分辨重建结果。对比单孔径图像、子孔径图像加权平均结果，利用IMSS-SAI技术重建的图像的分辨率、信噪比有明显提升。这一技术对远距离动态目标的高分辨成像与探测提供了新的可能性。
图5 旋转音乐盒的动态成像结果。(a)记录的低分辨率图像(f数为12)与重建的超分辨率图像的比较。(b1-b4)兴趣区域1的原始图像、平均结果、恢复结果和去噪结果。(c1-c4)兴趣区域2的原始图像、平均结果、恢复结果和去噪结果。(d1-d6) IMSS-SAI每0.5秒(15帧)捕捉老鹰徽章的瞬间高分辨重建帧
图6 动态场景高分辨实时成像结果
IMSS-SAI技术利用相机阵列单曝光的方法结合波长复用图像解耦获取信息冗余，解决了需要长时间进行串行采集的问题，突破了傅里叶叠层远场合成孔径技术中低时间分辨率的限制，从而实现高时空分辨率远场成像。该研究创新地利用单曝光技术为动态场景以及运动目标的高时空分辨率成像提供了新的支撑。同时，IMSS-SAI技术有望进一步拓展光电探测系统的应用范围，不仅在对地观测、天文遥感及军事探测等传统应用领域展现其强大的潜力，也为新一代高分辨率智能远场光电探测系统的发展打开了广阔的空间。
南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com）隶属于南京理工大学光学工程国家一级重点学科带头人陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队、首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow），入选科睿唯安全球高被引科学家。实验室致力于研发新一代计算成像与传感技术，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型光学成像的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，并开拓其在生物医药、智能制造、国防安全等领域的前沿应用。研究成果已在SCI源刊上发表论文200余篇，其中40篇论文被选作Advanced Photonics、Optica、LPR等期刊封面论文，20篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引超过15000次。获中国光学工程学会技术发明奖一等奖、江苏省科学技术奖基础类一等奖、日内瓦国际发明展 “特别嘉许金奖”等。培养研究生5人获全国光学工程优秀博士论文/提名奖，5人获中国光学学会王大珩光学奖，10人入围Light全国光学博士生学术竞赛全国百强，获“挑战杯”、“创青春”、“研电赛”全国金奖十余次，“互联网+”全国总冠军。
[1] ZHENG G, HORSTMEYER R, YANG C. Wide-field, high-resolution Fourier ptychographic microscopy[J]. Nature photonics, 2013, 7(9): 739-745.
[2] 左超, 陈钱. 计算光学成像：何来，何处，何去，何从？[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(02): 158-338.
[3] ZUO C, SUN J, LI J, 等. Wide-field high-resolution 3d microscopy with fourier ptychographic diffraction tomography[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2020, 128: 106003.
[4] ZHENG G, SHEN C, JIANG S, 等. Concept, implementations and applications of Fourier ptychography[J]. Nature Reviews Physics, 2021, 3(3): 207-223.
[5] DONG S, HORSTMEYER R, SHIRADKAR R, 等. Aperture-scanning Fourier ptychography for 3D refocusing and super-resolution macroscopic imaging[J]. Optics Express, 2014, 22(11): 13586-13599.
[6] HOLLOWAY J, WU Y, SHARMA M K, 等. SAVI: Synthetic apertures for long-range, subdiffraction-limited visible imaging using Fourier ptychography[J]. Science advances, 2017, 3(4): e1602564.
[7] ZHOU Y, WU J, BIAN Z, 等. Fourier ptychographic microscopy using wavelength multiplexing[J/OL]. Journal of Biomedical Optics, 2017, 22(6): 066006. https://doi.org/10.1117/1.JBO.22.6.066006.
[8] Resolution enhancement of long-range imaging with sparse apertures – ScienceDirect[EB/OL]. [2024-02-01]. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816622001208.
[9] SUN J, CHEN Q, ZHANG J, 等. Single-shot quantitative phase microscopy based on color-multiplexed Fourier ptychography[J/OL]. Optics Letters, 2018, 43(14): 3365-3368. https://doi.org/10.1364/OL.43.003365.
