一种新颖的散斑自成像方法

撰稿人|刘杰涛

导读

 

光学散射成像是一种透过散射介质研究利用散射光子进行计算成像的方法，可应用于生物组织成像、天文成像、光纤成像等领域，但传统技术通常需要复杂的光路系统或数据重建计算过程。近日，中国科学院雄安创新研究院与沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员合作提出了一种新颖的散斑自成像方法，首次在散斑成像中直接观测到了物体信息，对散射介质后目标实现了稳定高质量实时动态宽谱成像，同时保持了目标的空间取向和位置等信息。该方法无需计算迭代、无需复杂系统及校准、无需先验信息，在实时散射相关成像领域具有广泛的应用场景。在研究发现基础上，对传统计算重建方法进行了改进，获得了显著重建质量改善与分辨率提升。研究成果以“Directly and instantly seeing through random diffusers by self-imaging in scattering speckles”为题发表在2023年新一期《PhotoniX》上。中国科学院雄安创新研究院刘杰涛研究员, 沙特阿卜杜拉国王科技大学博士后杨文宏为共同第一作者，通讯作者是沙特阿卜杜拉国王科技大学甘巧强教授。该工作得到中国科学院雄安创新研究院宋国峰研究员的有益讨论和大力支持。

论文题目 |Directly and instantly seeing through random diffusers by self-imaging in scattering speckles

作者 |刘杰涛,杨文宏,宋国峰,甘巧强

完成单位 | 中国科学院雄安创新研究院，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST)

研究背景

 

光在经过大气、云、雾、霾、毛玻璃、生物组织、浑浊水体等自然或人工非均匀及散射介质时，由于气液固等不同形态介质在介观/微观空间尺度和时间尺度上的折射率/成分分布的随机不均匀性，光子在空间上被不同程度地散射和吸收，使得光子传播方向和相位信息被随机改变，光子所携带的信息也被随机打乱，宏观上观察或使用成像仪器设备探测到的是模糊光斑或随机杂乱的散斑。散射成像机理研究与相关技术在复杂环境光探测成像及生物医学成像领域应用发展十分迅速。

受益于空间光调制器、数字微镜器件、微机电系统等数字光调控器件的出现，精细化计算光场调控成像技术与散射成像技术快速结合，应运而生了光学相位共轭、 波前整形、波前反馈调控、传输矩阵、数字全息、全光子成像等技术，使散射光学计算成像技术尤其在小尺度、高精度成像领域得到巨大发展。史上最强价值百亿美元的詹姆斯-韦伯望远镜的升空，是人类“不畏浮云遮望眼”的最具代表性的工程应用探索。

经典方法如波前调制技术、传输矩阵方法易受干扰、过程复杂、精度要求高，算法较复杂。结合深度学习的方法需海量训练、计算数据庞大、物理联系欠缺。借助于相位恢复算法，散斑自相关成像可从散斑中重建恢复目标，因其实验仪器简单、单帧、无损、易操作等特性而备受关注，自2014年提出后发展迅速。然而，受迭代相位恢复算法影响，自相关成像重建的结果可靠性低、随机性高。算法对随机输入、复杂预处理和迭代多参数高度敏感，重建结果具有显著随机性，且存在目标空间取向和位置信息丢失、动态实时成像困难等显著问题。

研究亮点

 

本文提出了一种透过散射介质实时成像方法。本文进一步揭示了散斑细节特征在散斑自相关成像以及对于高分辨重建的重要意义。当以传统非相干成像模型分析散射成像系统时，散射系统的点扩散函数为散斑。也就是说，对于点-面的映射为点源到散斑。虽然该近似模型自2014年后被广泛应用，但是，这也是为什么人们忽视了散斑的细节进而发现更细致分布特性的原因。因为，受传统模型引导，点源产生散斑中的亮点，由于是随机分布、和噪声背景混叠，这些亮点长期且仅仅被认为是散斑中出现了干涉增强的位置，但不足以被视为点源的像（哪怕是部分像）。

然而，当我们按照空间成像几何模型出发，重新审视散斑，我们发现了被广泛忽视、被现有模型预测为不可能的新的现象，从而发现散斑中自再现现象与提出自成像模型。通过模型验证和实验观测，让人们重新认识散斑，重新理解散斑细节与统计特征，重新思考散斑形成过程，观测到了传统模型认为不可能的白光散斑自再现像，实现了透过散射介质实时动态视频成像（见视频1）以及多波长各类目标、多目标（如图1）。更多实验结果请参见正文及SI。

 

 

 

 

 

 

视频1. 透过散射介质动态目标实时成像

图1. 透过散射介质多目标实时成像

通过以上新的发现，我们改进了现有借助于重建技术的散斑自相关计算成像重建方法，通过引入基础灰度处理和对数变换处理细节散斑，得到了超衍射极限重建结果，重建效果明显优于现有重建技术，显著提升了重建图像质量 （实验结果，如图2）。

 

图2. 透过散射介质散斑相关计算成像重建方法对比。第1行：传统散斑自相关方法；第2行：本文提出的改进方法。第3行：散斑细节与重建质量提升效果。（g/h）蓝色曲线结果对应传统方法图(b/c)中蓝色中心线，红色曲线结果对应改进型方法图(e/f)中红色中心线。相较于传统方法，改进方法得到的结果，分辨率提升显著，细节体现明显。

总结与展望

 

本文提出了一种散斑自成像方法，在散斑成像具体问题上提出了新观点和新思路，设计了新技术新方法，基于物理模型和系统性实验研究，提出并实现了无需计算迭代重建、无需校准、无需先验，透过散射介质可实时动态宽谱光学成像方法。相较于现有方法，从物理角度简化成像范式，突破了散射成像计算迭代重建的不确定性，随机性，以及成像目标取向和位置信息丢失等瓶颈，解决了散射成像应用适用性、实时性、可靠性等长期困扰问题，实现自相关重建成像质量再提升（与现有主要方法的对比，如表1）。该方法有益于进一步推动实时散射成像技术及相关应用的研究。

 

论文链接：

https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-022-00080-2
Reference

Liu J, Yang W, Song G, et al. Directly and instantly seeing through random diffusers by self-imaging in scattering speckles[J]. PhotoniX, 2023, 4(1): 1-14.

招聘信息

 

Qiaoqiang Gan教授领导的Sustainability & Photonics Energy Research实验室现有博后位置若干。欢迎相关经验的博士、青年教师、访问学者联系Gan博士 (qiaoqiang.gan@kaust.edu.sa)。

Gan博士长期从事纳米光子学、材料学的研究和应用开发。他的课题组近年来致力于辐射制冷、纳米光子学材料和生化传感应用的开发，以及相关技术和知识产权的产业化。课题组近期成果发表于Nature Sustainability, Nature Communications, PNAS, Advanced Materials, Science Advances, Nano Energy 等期刊，并得到了Nature, Science, BBC, Mirror, Salon, Nature Photonics, Nature Middle East等媒体的采访报导。

KAUST课题组将关注能源与可持续性技术与应用开发，主要兴趣如下：

1. 微纳结构制备与器件、光学系统搭建和材料/器件表征（光、电、磁）

2. 生化医学传感，Microfluidic channel微流道器件，成像的集成器件的制作和深度学习/人工智能系统集成

3. 纳米材料光电热催化：CO2还原, 固氮等

4. 新型有机、无机复合材料合成及应用开发（例如人造皮肤，摩擦起电材料）

5. 新型太阳能、热能控制的模拟与实验（辐射、热电、太阳能水蒸发和冷凝等）

6. 量子传感，量子尺度光与物质相互作用，包括超灵敏传感、原子钟等应用

薪资： 5万美元起（根据科研经验上浮），免税，可续约，并有长聘职位的机会

福利：

1. 以下花费由课题组和学校承担（价值约2万美元）：

a. 住宿，水电、网路、家居维修维护

b. 家庭医疗保险（包括配偶，子女）

c. 21天带薪假期

d. 一年一次的假期机票

2. 子女日托、教育；学校还提供配偶工作机会，如成功录用，薪资可观

3. 一流的休闲、运动、娱乐设施（绝大多数免费）

关于校园，请访问最新的虚拟参观网页：https://www.kaust.edu.sa/virtual-tour

住宿条件学校官网：

https://accommodationservices.kaust.edu.sa/

科研环境：

KAUST具有世界顶尖的软、硬件设施，在紧凑的园区布局中最大化科研效率。

园区内有来自100多个国家和地区的科研人员，是全世界国际化最高的学校之一。学校组织完全按照欧美模式组织（现任校长曾在UCLA, 美国NSF和香港科技大学担任领导职务；Provost是杜克大学前任副校长）。2022年US News 世界大学综合排名第97,也是实力上升最快的年轻大学。