基于共焦擴散光學層析成像的研究可以透視隱藏物體

美國斯坦福大學基于共焦擴散光學層析成像（CDT）的研究可以“透視”隱藏物體。

實驗裝置示意圖

對隱藏在散射介質后面的物體精確成像，具有很多潛在應用價值，吸引了廣泛研究。遙感、機器人視覺和自動駕駛車輛都必須應對被大氣中的霧、雨或揚塵部分或完全遮蔽的物體，斯坦福大學的這項研究或能提供透過這些障礙物成像的新方法。

據麥姆斯咨詢報道，這項研究成果展示了一種結合單光子雪崩二極管（SPAD）、超快脈沖激光器以及新算法，透過散射介質捕捉三維形狀的技術，并已發(fā)表于《自然通訊》。

斯坦福大學計算成像小組的Gordon Wetzstein說：“有許多成像技術可以使圖像更清晰，噪點更少，而我們的研究可以使隱藏的物體可見。這項技術可以推動所有傳感系統(tǒng)實現(xiàn)更多可能?！?br />
這項技術基于漫射光學層析成像（DOT），這是一種通過模擬光從照明源到位于散射區(qū)周圍探測器的擴散來重建厚散射介質中物體的方法。DOT很有吸引力，但通常局限于二維重建，或者需要計算量很大的數學模型來得出結果。

斯坦福大學的研究人員開發(fā)出了一種新的技術，旨在復雜宏觀區(qū)域成像中超越DOT，它首先建模然后反轉穿過厚散射介質、通過自由空間傳播到隱藏物體，然后通過厚散射介質再次散射回來的光子散射。

據研究人員稱，這項技術通過顯式建模然后反轉散射過程的過程，可以將散射光子納入最終重建程序，從而在僅分析直接返回的彈道光子效率太低而無法有效工作的情況下實現(xiàn)成像。

該研究小組在其發(fā)表的論文中評論稱：“我們的研究是將共焦掃描系統(tǒng)結合新興的高靈敏單光子皮秒級精確探測器以及新開發(fā)的信號處理轉換相結合，提供一種模式化的硬件設計，為這種具有挑戰(zhàn)性的反轉問題提供一種有效的近似解決方案。這種方法可以在相對較長的距離以較低的計算復雜度運行，適用于較大的、米級尺寸的成像?！?br />
在試驗中，研究人員使用532 nm激光器發(fā)射35 ps脈沖，將該平臺用于對60 cm x 60 cm x 2.5 cm聚氨酯散射介質后面的物體進行成像。

脈沖激光與SPAD探測器共用一條光路，有效地創(chuàng)建了一個共焦捕獲過程，利用兩個掃描鏡在散射介質上掃描激光。

然后SPAD捕捉從隱藏物體返回的光子，而較早到達的光子則被門控屏蔽。新開發(fā)定制的計算方法隨后進行反轉程序，以從返回光子中恢復隱藏物體的擴散反射系數。

該平臺成功重建了隱藏的反射人體模型、字母形物體和一組交通錐的CDT圖像。根據隱藏物體的亮度不同，掃描操作需要在1分鐘~1小時左右，但該算法可以實時重建被遮擋的場景。

該團隊的下一步研究將包括其他類型的散射幾何體，例如嵌入密集散射材質中的物體，類似于被霧包圍的物體。

斯坦福大學的David Lindell評價稱：“我們希望能夠在不依賴彈道光子的情況下，透過散射介質成像，收集所有被散射的光子來重建圖像。這使得我們的系統(tǒng)特別適用于彈道光子非常少的大范圍應用?！?/p>