走进光学成像技术的“前世今生” | 世界摄影日

1839年8月19日，法国科学院向世界无偿公开了银版摄影法，此举推动了摄影技术的蓬勃发展，为此，这一天被确定为“世界摄影日”。节日当天，各地摄影爱好者纷纷用相机定格时空、分享美好瞬间。而相机等设备的应用正是光学成像技术发展最为生动的体现。从古时“当窗理云鬓，对镜帖花黄”的镜前梳妆，到如今定格美好、探索宇宙的摄影应用，光学成像技术逐步成熟、蓬勃发展。

今天是第184个“世界摄影日”，本文将带领大家走进光学成像技术的“前世今生”。

 光学成像技术的萌芽与诞生

（一）中国古代对“像”的认知

中国对光成像的最早研究可追溯到春秋战国时期。《墨经》中提到：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”，这是中国历史中最早对摄影光学中物距和像距概念的归结。清代科学家郑复光对光学器具的成像原理以及制作方法进行了系统性研究，并著成中国摄影技术发展史上的一部重要著作——《镜镜詅痴》。尽管该书出版时间晚于摄影术公布时间，但其所涉及到的几何光学和应用光学知识仍是现在研制相机镜头不可或缺的重要理论。

（二）开山之作——《光学之书》（Book of Optics）

跨越时空的公元1015年，被称为“光学之父”的伊拉克物理学家海什木基于对光影现象规律的观察和归纳，深入分析了“光”与“像”之间的内在联系，揭秘诸多光学基本性质，著成了光学领域开山之作——《光学之书》（Book of Optics）。该书系统描绘了当时人们对“光”和“像”的认识，推动光学领域的发展，开创物理实验的先河。

 近代世界的成像应用

公元17世纪，人们已经初步掌握了光线的控制方法，能够认识到光的折射、衍射等现象对成像的干扰。这一时期，由于成像技术理论的不断完善，其成果也不断涌现。

（一）光学领域里程碑——伽利略望远镜

1609年，物理学家伽利略发明了人类历史上第一台天文望远镜，它由一个凹面镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。当物像光线经过物镜后会被折射在目镜的后方焦点上，产生一个相对于物像的虚像，并且这个虚像为放大的正立虚像，其放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。通过这个望远镜，伽利略能够清楚地看到月球表面。然而，伽利略望远镜对明亮物体观察会出现“假色”现象（成像模糊），这一原因与白光是复色光，经过透镜的折射后，成像焦点存在“差异”密不可分。

图1 伽利略《星际信使》一书的标题页（左）；书中的月球正面地貌手绘图（右）

（二）人类史上第一台照相机——达盖尔相机

1839年，法国画家达盖尔（Daguerre）使用自己所发明的显影技术（银版摄影法）和底片，并同哈谢尔夫发明的定影技术和维丘德发明的印相纸结合，制成了世界上第一台装有新月型透镜的伸缩木箱照像机。当静止时间足够长（>10分钟）时，达盖尔相机能够留下一个人像完整且清晰的影子。同年8月19日，法国科学院买下了达盖尔发明的“银版摄影法”后将其无偿公开，世界摄影日就此诞生。

图2 达盖尔《巴黎街景》

 现代光学成像技术蓬勃发展

随着科技的进步，人们对光学特性认识愈加全面。几何光学和波动光学理论的提出和完善是推动现代光学成像技术的强劲动力。现代光学成像技术的应用，为我们提供了更加清晰、精确的图像，有助于我们对物理特征变化的深入认知，推动着科学技术的不断发展。

（一）更为“清晰”的成像——超分辨成像技术

超分辨成像技术是指通过某种方法，在超出传统分辨率限制的情况下获得更高分辨率的图像。在传统成像技术中，分辨率受衍射极限的影响显著，为了解决这一问题，将计算机的算法引入到成像技术当中，并运用图像处理算法来实现超分辨成像，为生命科学研究提供了前所未有的工具。例如：我国浙江大学张德龙研究团队开发出一项基于光热弛豫定位的超分辨成像技术，该技术突破了传统超分辨成像技术对荧光标记的依赖，实现了突破衍射极限的无标记成像。该技术的成功对分子追踪、结构解析具有十分优秀的探测能力，在生物技术应用方面潜力巨大。

图3 光热弛豫定位显微镜的成像

（二）更为“立体”的成像——多角度成像技术

多角度成像技术是指在不同的角度、方向或者距离上获取目标物体的多张图像，然后利用这些图像来重建三维物体模型的技术。在这一技术中，最重要的是对多张图片进行三维匹配。当前为了解决这一问题，多采用标记、视觉跟踪等技术来实现精准匹配。2023年5月21日16:00，“珞珈二号01星”随长征二号丙运载火箭以“一箭三星”的方式在酒泉卫星发射中心发射升空（图4），成功入轨。该卫星由武汉大学牵头研制，是全球首颗Ka频段高分辨率SAR（合成孔径雷达）卫星，通过多角度成像模式克服了陡峭山区雷达阴影、叠掩等几何畸变严重的制约，有望实现对“困难”地表数据的测图处理。

图4 长征二号丙运载火箭成功发射

图源：央视新闻微博

（三）更为“快速”的成像——超快成像技术

超快成像技术是指能够在极短时间内获取高速运动物体的图像的技术是光电成像在时间维度上高分辨率投影的体现。超快成像技术的核心在于“快”，它可以提供更精细颗粒度的影像表征，时间分辨率通常用帧频（fps或Hz）来描述，帧频越高，时间分辨率越精细。由于人眼的视觉暂留时间仅为0.1-0.4秒，因此电影利用每秒播放25-30帧连续静态图片的原理使得图像看起来像是“动”起来的视频。然而，对于高速运动的物体和瞬间变换的超快现象，人眼无法捕捉到细节。在这些情况下，超快成像技术可以记录下时空变化的影像信息，实现在时间维度上的精细观测图像变化。

（四）更为“量子化”的成像——“鬼”成像技术

“鬼”成像，又名“关联成像”，是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。鬼成像系统中使用两束相互关联的光（图5）：参考臂光和物臂光。参考臂光经自由传播后的光强分布被记录下来，物臂光经过物体后由一个没有空间分辨能力的点探测器收集。两路光均不能单独获得物体图像，而物体图像可以通过两路光的关联得到。鬼成像技术适用性高，抗干扰能力强，分辨率高，在军事、生物医学和遥感等领域有着广泛应用。

国防科技大学刘伟涛教授课题组受邀在《激光与光电子学进展》发表了题为“运动物体关联成像研究现状及展望”的综述文章。文中，作者阐述了关联成像技术的基本理论，详细介绍了运动物体关联成像的原理方法、主要技术方向及研究进展，并展望该技术的发展趋势。

图5 关联成像示意图

图源：刘伟涛等，激光与光电子学进展

（五）未来成像核心？计算光学成像技术

传统光电成像建立在几何光学的基础上，光场信息的获取是记录了二维的空间面上光强度分布，与人眼视觉相似，所见即所得，一般没有光场解译的过程。计算光学成像技术，是把“计算”融入到光学图像形成过程中任何一个或者多个环节的一类新型的成像技术或系统，在传统几何光学的基础上，有机融入了物理光学的信息，如偏振、相位、轨道角动量等物理量，以信息传递为准则，多维度获取光场信息，并结合数学和信号处理知识，深度挖掘光场信息，通过物理过程解译获取更高维度的信息。

计算光学成像是一个新兴多学科交叉领域，通过对光场信息的进一步编码，将人眼视觉不可见的图像信息进行深度挖掘，进而突破传统光学成像极限。

图6 计算光学成像

图源：邵晓鹏，中国激光杂志社微信公众号

未来，光学成像技术的新机制、新算法不断涌现，成像技术将得到更为广泛的发展与应用，并为人类生活带来新机遇。《激光与光电子学进展》瞄准前沿热点问题，推出了“先进成像”专题刊，以光电成像过程所涉及的相关理论和技术为主，重点关注光电成像器件的设计与集成、光电成像系统的设计与构建，光电成像器件与系统的测试评估等内容。