光场：计算光学的灵魂

大多数人一见到“光场”这个词，很自然就会想起“光场相机”。在这里，我要说明一下：这个词出现在计算成像中也是 Computer Science领域的学者定义的“Light Field”，是指除了包含原图像矩阵中的空间坐标（x,y）和强度I外，还有光线入射的角度信息(θ, φ)。这段历史其实可以追溯到1991年，MIT的Edward H. Adelson 教授和James R.Bergen教授指出基础视觉可以认为是沿着单一函数的一个或多个方向的局部变化，描述了光照射到观察面的信息结构。一旦定义了这个函数，各种潜在的视觉属性(如运动、颜色和方向)的测量就能够自动分离出来。这个函数被称为全光函数，表示为：L(x, y, z, θ, φ, λ, t),其中(x,y,z)为空间位置，(θ, φ)是光线入射角度，λ代表颜色,t为时间，这就是著名的“七维光场”，光场相机的那个“光场”其实是“四维光场”。

那么，物理上应该怎么去描述光场？我们知道，强度（I）、相位（φ）、光谱（λ）、偏振P(DoP, AoP)等都是光的物理属性，加上空间坐标（x,y,z），这些量就构成了整个光场信息。

一方面，我们可以从理论上分析光场的分布，另一方面，可以从实验中获取光场数据。物理光场的仿真研究很多，但多为部分物理量的仿真，覆盖“全”光场的理论仿真我没有见到，也不作为我们这篇文章的重点；在这里，我们重点讲述光场的如何测量问题。

我在一次报告中讲到：“研制多维物理光场特性的精密测量仪器旨在对复杂条件全光场信息进行测量，通过在自然环境中主动、被动光源及云雾、烟尘、生物组织等复杂环境中光场传输物理仿真及光学传输特性测量，将不同维度的光学特性信息进行采样与融合，可打破传统光学探测手段的局限性，提高光学成像手段的探测精度，更全面地揭示了光在复杂环境中的信息传播机理，对于全天候、自适应、普适性、远距离成像的民用及商用发展有着深远意义。”

我们从这个例子上可以看出，由于引入了偏振信息，光场信息的维度提升，使得在低维度空间难以解释的现象在高维度空间变得很简单。这就像量子纠缠令人费解一样。如果我们考虑一把由两个圆环构成的椅子，当光照到椅子之后，在地面上会看到两个圆；在三维空间中旋转椅子时，你会发现地面上的一个圆在动，另外一个圆也会同时在动。如果单纯从地面上看两个圆的必然运动，很难发现其在高维空间中其实是椅子在旋转。这种现象就像量子纠缠，纠缠双光子一个发生变化，另外一个必然发生变化，其在高维空间是什么样，目前，我们还不清楚。

传统成像中存在的很多限制，其实很多问题是因为我们在“低维度空间”看问题。一旦我们走到“高维度空间”，我们就站在了“上帝视角”，拿到了通往未来之路的钥匙。正如偏振能架起了散射成像与宽光谱的桥梁，其他物理量如相位、光谱等也能填补其他成像的鸿沟。

大气和水等介质对光电成像影响其实也是其对光场的作用，按照传统的光电成像方法只接收能量，维度单一，自然就会造成“看不远、看不清”的问题，同样，生物组织亦是如此。现有的光学系统都是像差约束的，而未来的计算光学系统将是以信息为传递的光场形式出现；计算探测器也将不再是单一的强度探测模式，相位、偏振、光谱、甚至探测器的空间分布（形状与采样模式）都会有相应的形式出现。

最后，我要说：光场太重要了！它作为灵魂出现，将在手机摄影、汽车自动驾驶、公共安全监控、生物医学成像、深空探测及军事应用等领域大放异彩。

西安市计算成像重点实验室主任，西安电子科技大学杭州研究院先进光电成像与器件实验室主任，西安电子科技大学光学工程学科带头人。

陕西省创新人才推进计划中青年科技创新领军人才，陕西省新体制光电成像与感知科技创新团队带头人，中国光学工程学会常务理事，中国光学学会理事，陕西省光学学会副理事长，西安市激光红外学会副理事长，中国宇航学会光电委员会常务委员，中国兵器光电子专业委员会委员，华为媒体技术实验室技术咨询委员会委员，美国光学学会（OPTICA）会员，国际光学工程学会（SPIE）会员。

国防工业光电信息控制和安全技术重点实验室学术委员会委员、中科院航空光学成像与测量重点实验室学术委员会委员、中科院光谱成像技术重点实验室学术委员会委员、中科院空间精密测量技术重点实验室学术委员会委员、中国红外探测器技术航空科技重点实验室学术委员会委员、陕西省先进光学技术国际联合研究中心学术委员会委员、陕西省光信息技术重点实验室学术委员会委员；《Ultrafast Science》副主编，《激光与光电子学进展》《光学 精密工程》《光子学报》《应用光学》《光电技术应用》《数据采集》《西安电子科技大学学报》《西安邮电大学学报》等期刊编委。

作为国内最早开展计算成像研究的人员之一，在新体制光电成像与感知领域攻坚前沿基础研究并促进技术工程应用，率先在国内开展散射成像研究。发表论文100余篇、发明专利80余项，获省部级奖励5项，主持国家自然科学基金、JKW前沿创新、863专项、GF预研基金、GF重点实验室基金等项目60余项，年经费保持在1000万元以上，获JD科技进步奖、GF科学技术进步奖、航天科技进步奖、信息产业部科学技术进步奖等多项重要奖项，入选全球前2%顶尖科学家榜单。倡导举办4届全国“计算成像技术与应用”专题研讨会，提高了计算成像在光学领域的影响力。带领团队成员研制了广域相机、高性能低成本小型化红外导引头、偏振相机、激光陀螺仪光损耗测试仪、辐射计量辐射光源稳定功率系统等，成果和样机用于国内多家科研院所，促进了新体制成像技术的装备应用。

西安电子科技大学华山菁英人才计划入选者。现任西安电子科技大学先进光学成像交叉前沿研究中心副主任，西安市计算成像重点实验室副主任，陕西省先进光电成像专委会常务副主任，美国光学学会(OPTICA)西电分会指导教师，中国科学院长春光机所应用光学国家重点实验室客座研究人员，光电信息控制与安全技术GF重点实验室客座教授， Journal of Nanophotonics期刊副主编，Cells期刊Computational imaging for Biophotonics and Biomedicine主题Guest Editor，OPTICA Travel Lecture（全球巡讲讲师）；中国感光学会青年理事，《激光与光电子学进展》、《光子学报》等期刊青年编委，Optics Letters, Optics Express，Applied Optics，JOSA A等多个国际期刊审稿人。

自2012年开始进行计算偏振成像技术的研究，累计主持国家自然科学基金青年、面上等项目，国家博士后科学基金面上项目，陕西省自然科学基金等科研项目二十余项，年均到款经费超过300万元，并在Optics Letters， Optics Express，等国际知名期刊发表学术论文40余篇，累计引用超过700余次，申请国家发明专利20余项，产学研转化2项。受邀参加首届JKW“四季青”青年论坛、CVPR等国内外学术交流会议进行成果汇报，并连续获得最受欢迎报告奖、最佳论文奖西安市自然科学论文一等奖等多项荣誉。

主要从事透过随机散射介质成像、新型计算光学系统设计以及定量相位测量技术研究，近年来主持或参与了包括国家自然科学基金、JKW预研基金、重点实验室基金等国家及省部级纵/横向项目十余项。在Optics Letter、Optics Express、Applied Optics等国内外重要学术期刊共发表SCI论文20余篇，并多次在国际及国内学术会议上做口头报告。曾获2020年陕西省科技工作者创新创意大赛三等奖（第五获奖者）等奖项。

主要研究方向为计算图像处理、全息成像。近年来参与了包括国家自然科学基金面上项目研究、863项目课题研究、航天飞行器研究所委托项目等多项国家自然科学基金项目及省部级基金项目研究，取得了多项具有重要学术意义和应用价值的研究成果。多次参加相关领域的国内外学术交流活动，并报告最新的研究成果，注重与行业内专家、学者的交流、对话与合作，充分把握和跟进该领域的前沿研究动态。经过多年的研究积累，在全息记录与重建、光场分析、光场调控等方面开展过深入研究，发表多篇SCI国际期刊论文，主要成果以第一作者身份发表在Optics Express，Applied Optics等本领域权威国际期刊上，得到了国内外同行的认可，在全息光存储领域内具有一定影响力。

主要从事计算成像在空间遥感、工业检测、生物医学等典型交叉学科的应用研究，具体研究方向为光学合成孔径成像、傅里叶叠层超分辨成像等；任中国科学院西安光学精密机械研究所客座研究人员。