光學(xué)成像技術(shù)的了解與研究

視覺是人類獲取客觀世界信息的主要途徑（據(jù)估計人類感知外界信息有80%來自視覺），但在時間、空間、靈敏度、光譜、分辨力等方面都有局限性。光學(xué)成像技術(shù)利用各種光學(xué)成像系統(tǒng)獲得客觀景物圖像，通過光信息的可視化可延伸并擴展人眼的視覺人性。

自古埃及人與美索不達(dá)米亞人在三千年前第一次將石英晶體磨光制成寧路德透鏡(Nimrud lens)以來，光學(xué)成像技術(shù)不斷發(fā)展，從最開始的金屬光化學(xué)攝影，到感光版光化學(xué)攝影，再到膠卷光化學(xué)攝影、數(shù)碼相機的出現(xiàn)，及至現(xiàn)在廣為人知的“計算成像”(Computational imaging)技術(shù)，所攝取的圖像場景不僅可以由近及遠(yuǎn)、由外到內(nèi)、由中觀到宏觀和微觀，甚至可以由此及彼。新近，計算成像技術(shù)異軍突起，帶來了許多令人震撼的效果。21世紀(jì)以來，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)、杜克大學(xué)、南加州大學(xué)、微軟研究院等國際著名研究機構(gòu)基于計算光學(xué)成像技術(shù)陸續(xù)提出或?qū)崿F(xiàn)了波前編碼成像、光場成像、時間編碼成像、孔徑編碼成像、穿透散射介質(zhì)成像等[1]。本文將對穿透散射介質(zhì)成像、鬼成像、無標(biāo)記光學(xué)顯微成像、波前編碼成像、單光子掃描成像、偏振成像以及全息成像七個光學(xué)成像新技術(shù)進(jìn)行介紹，以饗廣大圖像處理愛好者。

1.穿透散射介質(zhì)成像

（1）穿透散射介質(zhì)成像原理

當(dāng)光線穿過霧、煙、霾以及渾濁的海水等散射介質(zhì)時，受到散射介質(zhì)中存在的微小顆粒影響，使得光線發(fā)生散射，導(dǎo)致基于光強的傳統(tǒng)成像設(shè)備無法獲取高質(zhì)量的圖像，從而給獲取場景有效信息（場景深度、物體材質(zhì)、物體表面紋理等）帶來困難[2]。隨著對散射介質(zhì)和散射特性的深入研究，一種可接受的觀點認(rèn)為，散射介質(zhì)可看作為線性不變系統(tǒng)，對于確定的隨機散射介質(zhì)，相同的輸入光場總是可以得到相同的輸出光場，即入射光中攜帶的信息只是因為散射而變得雜亂，但是沒有丟。也就是說，散射介質(zhì)只是對光場所攜帶的信息進(jìn)行了“編碼”處理，如果能夠采用一些特殊的方法進(jìn)行“解碼”，那么就可能恢復(fù)被散射前的光場，從而獲取其所攜帶的信息，穿透散射介質(zhì)成像技術(shù)油然而生。

穿透散射介質(zhì)成像系統(tǒng)如圖1-1所示。攜帶物體信息的光入射到散射介質(zhì)上，在散射介質(zhì)內(nèi)部隨機傳播，發(fā)生散射效應(yīng)，使得散射光場的傳播方向及相位分布等呈現(xiàn)隨機置亂狀態(tài)，進(jìn)而在CCD(Charge-Coupled Device)接受面上表現(xiàn)出強度隨機分布的散斑圖案，散斑圖像經(jīng)過合適的計算重建就能得到清晰的目標(biāo)圖像。不過，散斑相關(guān)方法受限于光學(xué)記憶效應(yīng)(OME,Optical Memory Effect)的角度范圍，計算重建并不容易，往往需要設(shè)置參考點才行。鑒于此，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于偏振調(diào)制的方法來觀察OME范圍之外的散射介質(zhì)，與其他超越OME成像的方法不同，該方法可以在沒有參考點的情況下重建目標(biāo)。

目前，穿透散射成像技術(shù)已經(jīng)能夠在存在散射介質(zhì)的環(huán)境下獲取場景中的有效信息，比如場景深度、物質(zhì)材質(zhì)、物體表面紋理等。因此，被廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、居民生活、社會安全等多個領(lǐng)域，諸如海底勘探、導(dǎo)航、遙感、測繪、火災(zāi)救援等實際場景，場景的深度可以讓人們判斷目標(biāo)物的形狀、大小與距離，為勘探和救援提供有效指導(dǎo)。

（2）穿透散射介質(zhì)實例圖像

如圖1-2所示，原目標(biāo)圖像如圖1-2（a）所示，分別經(jīng)過毛玻璃、雞胸肉以及蔥表皮后相機拍攝到的散斑圖如圖1-2（b）所示，圖1-2（c）為散斑圖經(jīng)過自相關(guān)后，通過基本的Fienup型恢復(fù)算法恢復(fù)的結(jié)果[5]。

2.鬼成像

（1）鬼成像原理及應(yīng)用

鬼成像，又稱為關(guān)聯(lián)成像、量子成像。鬼成像利用量子糾纏特性或者光強度漲落的關(guān)聯(lián)特性，通過關(guān)聯(lián)算法，在無目標(biāo)的光路上恢復(fù)出物體圖像。利用的是一對糾纏光子“分手”后，一個光子遇到物體被一個沒有空間分辨能力的探測器接收，同時另一個光子也被探測器接收到，兩個探測器結(jié)果“相遇”后就可以得到物體的照片[6]。類似于兩個不相識的畫師閉著眼睛在畫布上肆意涂鴉，卻合作畫出了精確的人物肖像。

“鬼成像”的原理如圖2-1所示。光源照射到分束器后分成參考光和信號光兩路，其中，參考光由具有空間分辨能力的CCD陣列接收，信號光被打至物體T中，由沒有任何空間分辨能力的桶探測器接收，然后利用兩路光路分別接收到的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)算法的恢復(fù)運算，得到圖像的恢復(fù)圖[7]。

目前，量子成像包括了基于糾纏光源的量子成像、基于經(jīng)典光源的量子成像和主動光場調(diào)制的量子成像等三大技術(shù)路線，而在主動光場調(diào)制的量子成像技術(shù)中又衍生出了單像素成像、單光子掃描成像和非視域成像三種新技術(shù)[8]。最近，文獻(xiàn)[9]利用卷積核重新設(shè)計了基于Hadamard的照明模式，提出了計算卷積鬼成像(CCGI，Computationally Convolutional Ghost Imaging)，該方法不僅可以在不先成像的情況下提取感興趣的特征，而且CCGI方法還可以在亞奈奎斯特采樣條件下自適應(yīng)地工作。

鬼成像的技術(shù)特點是器測量值并非傳統(tǒng)意義上人眼所觀察到的二維圖像，需要與掩膜信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)計算才可以轉(zhuǎn)換為圖像。其測量值雖然不符合人類視覺感官，但更適于機器的讀取與傳輸，在一些應(yīng)用場景下，鬼成像甚至無需完全重建圖像，而只需恢復(fù)場景的某些特征信息，因此，該技術(shù)非常適用于目標(biāo)檢測、分類等應(yīng)用。除此之外，其稀疏采樣特性可大大降低測量值的信息冗余量，十分適合遠(yuǎn)距離傳輸中的圖像重建。將鬼成像技術(shù)與多種成像方式結(jié)合，可為生物醫(yī)學(xué)成像、空間遙感、軍事對抗成像、自動駕駛等領(lǐng)域帶來全新的成像方案[10]。

（2）鬼成像實例

圖2-2的（a）和（b）分別是水杯被介質(zhì)（這里使用的介質(zhì)為磨砂紙）阻擋時，傳統(tǒng)成像和鬼成像的成像結(jié)果[11]。

3.無標(biāo)記光學(xué)顯微成像技術(shù)

（1）無標(biāo)記光學(xué)顯微成像技術(shù)原理及應(yīng)用

基于熒光標(biāo)記的顯微成像技術(shù)是目前生物醫(yī)學(xué)成像的主要方法之一，不過該技術(shù)存在漂白、光猝滅、難以特異性標(biāo)記及熒光干擾等瓶頸，因此，無標(biāo)記光學(xué)顯微成像技術(shù)應(yīng)用而生。典型的無標(biāo)記光學(xué)顯微成像技術(shù)有相干拉曼散射顯微成像技術(shù)、光熱顯微成像技術(shù)、表面等離激元顯微成像技術(shù)和干涉散射顯微成像技術(shù)[12]。

圖3-1是光熱顯微成像技術(shù)原理圖。該技術(shù)需要用到兩束光——一束探測激光和一束通過聲光調(diào)制器得到的頻率為Ω的加熱激光。首先，使用大數(shù)值孔徑物鏡(x100，NA=1.4)將兩束光聚焦在樣品同一點上；其次，使用第二個物鏡(x80，NA=0.8)收集探測激光的發(fā)射場和前向散射的干涉信號作為前向信號；再利用偏振分光鏡和1/4波片的組合收集反射場(參考場)和后向散射的干涉信號作為后向信號；然后，前向或后向信號被快速發(fā)光二極管收集并饋入鎖相放大器用以檢測頻率Ω下的差頻信號，提取光熱信號，形成顯微圖像。

由于，光熱顯微鏡不依賴于熒光，且對吸收能量敏感，因此它能夠可視化吸收光的物體，如金屬納米顆粒、活細(xì)胞中的內(nèi)源性生物成分等，如文獻(xiàn)[13]利用中紅外光熱和拉曼顯微鏡對聚合物樣品化學(xué)成分的空間分布獲得了亞微米尺度的空間分辨率可視化共混聚合物薄膜的化學(xué)成分。

（2）光熱顯微成像實例

圖3-2的（a）、（b）和（c）分別為痘病毒、Hela細(xì)胞以及少突膠質(zhì)細(xì)胞的光熱顯微成像圖。

4.波前編碼成像

（1）波前編碼成像原理及應(yīng)用

波前編碼(Wave-Front Coding，WFC)是一種混合成像技術(shù)，包括了光學(xué)設(shè)計和圖像恢復(fù)，性能卓越的相位掩模和強大的還原算法是WFC成像系統(tǒng)實現(xiàn)驚人性能的關(guān)鍵[14]。波前編碼成像鏈路圖如圖4-1所示，它通過在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)出瞳或孔徑光闌處加入一個光學(xué)相位掩模，使光學(xué)系統(tǒng)具有對像面離焦不敏感的特性，在一個比較大的熱離焦范圍內(nèi)得到的中間編碼圖像幾乎與像面位置無關(guān)[15]。為了得到清晰圖像，數(shù)據(jù)編碼處理單元使用數(shù)字圖像復(fù)原技術(shù)對模糊的中間編碼圖像進(jìn)行數(shù)字解碼復(fù)原，去除光學(xué)相位板對光學(xué)系統(tǒng)成像的模糊編碼。

文獻(xiàn)[14]利用波前編碼成像來抑制光學(xué)圓頂?shù)膭討B(tài)航空光學(xué)像差(Aero-optical Aberration Of Optical Dome，AAOD),從而提高導(dǎo)彈以超音速飛行時的成像制導(dǎo)精度。文獻(xiàn)[15]說明了利用波前編碼成像來消除因環(huán)境溫度變化引起的熱離焦，從而實現(xiàn)對紅外系統(tǒng)的無熱化成像。

（2）波前編碼紅外成像實例

圖4-2為紅外圖像(圖4-2中（a）)以及波前編碼紅外成像(圖4-2中（b）和（c）分別為波前編碼成像的數(shù)字解碼處理前后的圖像)在不同溫度下的成像結(jié)果。

5.單光子掃描成像

（1）單光子掃描成像原理及應(yīng)用

單光子探測技術(shù)不僅可以使探測靈敏度達(dá)到單光子的水平，而且可以達(dá)到皮秒(ps)級的時間分辨率，因此，單光子技術(shù)兼具優(yōu)秀的探測性能和距離分辨能力?；谏w革模式雪崩光電二極管(Geiger-mode avalanche photodiode，GM-APD)探測器的光子探測成像系統(tǒng)原理框如圖5-1所示[16]。該技術(shù)利用激光能力密度高，方向性好的特點，采用具有單光子探測能力的光電探測器，通過對目標(biāo)光場在時間、空間上的高精度采樣和反演計算，獲得目標(biāo)的二維灰度圖像；同時測量激光脈沖在目標(biāo)點上的往返時間和角位置，獲得目標(biāo)的距離圖像；在對目標(biāo)點的灰度圖像和距離圖像進(jìn)行處理后，即獲得目標(biāo)的三維圖像。

新近，單光子成像技術(shù)發(fā)展速度驚人。2020年,中科大徐飛虎團隊使用1550nm的脈沖激光器和掃描振鏡，采用亞像素掃描的方法在45km距離上完成有源單光子三維成像的實驗；2021年，該團隊又實現(xiàn)了201.5km的遠(yuǎn)距離三維單光子掃描成像。還有研究將環(huán)境噪聲與主動強度圖像相結(jié)合用以指導(dǎo)填充深度圖像中缺失的信息，取得顯著效果。另外，在光學(xué)遙感技術(shù)中接收一些微弱的的背向散射信號時，引入單光子計數(shù)器等高靈敏度的光學(xué)探測設(shè)備同樣取得良好效果[17,18]。

（2）單光子成像實例

圖5-2（a）為徐飛虎團隊采用亞像素掃描的方法在45km距離上完成了有源單光子三維成像的重建結(jié)果，建筑物上0.6m寬的窗戶在重建結(jié)果中清晰可見。圖5-2的（b）為該團隊實現(xiàn)的201.5km的遠(yuǎn)距離三維單光子掃描成像的重建結(jié)果。

6.偏振成像

（1）偏振成像原理及應(yīng)用

偏振是光的重要物體特性之一，地表或大氣中的目標(biāo)在反射、散射、透射和輻射電磁波時會產(chǎn)生由自身特性所決定的特定偏振信息。偏振成像在傳統(tǒng)成像的基礎(chǔ)上增加了偏振維的信息，不僅能夠提供二維空間的光強分布，還能獲得目標(biāo)和背景的偏振信息，十分有助于分析目標(biāo)的形狀、表面粗糙度、紋理走向和材料的理化特性等[19]。從技術(shù)路線看，現(xiàn)有偏振成像方式有分時型、分振幅型、液晶調(diào)制型、分孔徑型、分焦平面型和通道調(diào)制型，不同類型各有其優(yōu)缺點，感興趣的讀者可以參看文獻(xiàn)[20]。

其中，常用的分時偏振系統(tǒng)通過可移動的設(shè)備或手動調(diào)節(jié)偏振角度，能在不同時間段內(nèi)獲取同一場景的不同偏振角度的偏振圖像，如通過旋轉(zhuǎn)偏振片和波片角度，依次獲得偏振角度為0度、45度、90度以及135度四個偏振分量。如圖6-1所示的分時偏振成像系統(tǒng)是在成像系統(tǒng)物鏡后面放置偏振片與波片組成。

在民用領(lǐng)域，偏振成像可用于透明材質(zhì)的表面損失檢測、高反光/高輻射、無紋理目標(biāo)的三維測量、復(fù)雜現(xiàn)場中金屬與非金屬目標(biāo)的快速識別和分類、金屬疲勞損傷評估以及醫(yī)學(xué)臨床診斷等；在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，偏振成像可以用于反偽裝、抗干擾、提高對目標(biāo)的探測距離以及目標(biāo)分類等。偏振成像可以解決紅外探測的“熱反差淡化”——在一天中的特定時間段，出現(xiàn)目標(biāo)對比度“消失”現(xiàn)象。除此之外，偏振成像還可用于水下目標(biāo)檢測，如探查他方潛艇和水雷、打撈和搜救己方人財物等[21]。目前，對偏振成像質(zhì)量的改進(jìn)算法仍屬于發(fā)展中的開放課題[22]。

（2）偏振成像實例

偏振成像可以減少水面反光，玻璃反光等非金屬反光。如圖6-2的（a）表示沒有添加偏振片時，普通相機拍攝出來的效果，而圖6-2的（b）為偏振相機拍攝出來的效果[23]。通過偏振相機，可以增加色彩的飽和度，從而還原更真實地色彩。如圖6-3的（a）為普通相機拍攝出來的圖像，而（b）偏振相機拍出來的圖像。

7.全息成像

（1）全息成像原理及應(yīng)用

全息技術(shù)的基本原理是：物體反射的光波與參考光波相干疊加產(chǎn)生干涉條紋，這些干涉條紋被記錄的結(jié)果即為全息圖，全息圖在一定條件下再現(xiàn)，便可重現(xiàn)原物體逼真的三維像。根據(jù)全息圖的記錄手段和再現(xiàn)方式的不同，全息圖可分為光學(xué)全息圖、計算全息圖以及數(shù)字全息圖[24]。常用的數(shù)字全息成像原理圖如圖7-1所示，光源通過分束鏡形成的兩束光束，其中一束光束照射到青蛙上，青蛙反射的光波與另一束參考光束相干疊加產(chǎn)生干涉條紋，即全息圖，后被CCD（CCD取代了傳統(tǒng)的干板用來記錄全息圖）接收，然后由計算機以數(shù)字的形式對全息圖進(jìn)行再現(xiàn)，常見的重建方法有菲涅耳變換法、卷積法、相移法以及相位恢復(fù)法。

將全息成像與其它成像技術(shù)相結(jié)合是目前的發(fā)展趨勢之一。如：將全息成像技術(shù)和顯微技術(shù)相結(jié)合，充分利用兩者的優(yōu)點，不僅能放大樣本物體，而且能動態(tài)記錄物體的三維信息；將待加密信息的全息圖作為秘密信息嵌入載體圖像實現(xiàn)信息隱藏，將傳播規(guī)律和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)作為密鑰，通過設(shè)計多重“鎖”和多重“密鑰”即可實現(xiàn)高密級的數(shù)據(jù)加密[25，26]。

（2）數(shù)字全息成像實例

通過Matlab，設(shè)計圖7-2所示的仿真模型，該模型的全息圖如圖7-2（b）所示，通過菲涅耳變換法得到重構(gòu)的目標(biāo)二維及其三維圖如圖7-2（c）所示[27]。

總的來看，光學(xué)探測器、信號處理技術(shù)與新型計算光學(xué)成像理論與方法相結(jié)合已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出多點突破蓄勢待發(fā)的生動景象。我國在光學(xué)計算成像理論與技術(shù)方面已取得喜人的成果，新的技術(shù)和應(yīng)用必將催生新的圖像處理需要，值得圖像處理研究者關(guān)注。

審核編輯：郭婷