據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，清華大學(xué)方璐副教授和戴瓊海院士等研究人員提出了一種集成掃描光場成像傳感器，稱為元成像傳感器（meta-imaging sensor），可實現(xiàn)高速像差校正3D成像，而無需額外的硬件更改。

元成像傳感器不是直接檢測二維強度投影，而是通過振動編碼微透鏡陣列捕獲超精細(xì)的四維光場分布，從而在后處理中靈活、精確地合成復(fù)雜場調(diào)制圖像。

2D成像傳感器廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)檢測、移動設(shè)備、自動駕駛、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷、生物學(xué)和天文學(xué)。受益于半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像傳感器中的像素數(shù)量在過去十年中增長迅速。然而，使用集成傳感器獲取高密度的深度圖始終是一個挑戰(zhàn)。

自適應(yīng)光學(xué)通過可變形反射鏡陣列或空間光調(diào)制器實現(xiàn)主動像差校正，以將從一個點發(fā)射的光線以不同角度引導(dǎo)到傳感器上的相同位置。波前像差可以通過導(dǎo)星和波前傳感器測量，也可以通過根據(jù)特定評估度量的迭代更新來測量。自適應(yīng)光學(xué)在天文學(xué)和顯微鏡領(lǐng)域都取得了巨大成功，并為重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出了貢獻。

然而，由于空間不均勻像差，當(dāng)前自適應(yīng)光學(xué)方法的有效視場（FOV）非常小。更重要的是，當(dāng)前的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、笨重且昂貴，這使得輕量級系統(tǒng)或便攜式設(shè)備的開發(fā)變得困難。

在本項工作中，研究人員提出了一種集成的掃描光場成像框架，包括硬件和軟件，稱為元成像傳感器，以低成本實現(xiàn)大空間帶寬產(chǎn)品的像差校正3D成像。類似于利用納米結(jié)構(gòu)對光場進行前所未有的操縱的超構(gòu)表面，元成像傳感器通過振動編碼微透鏡陣列，實現(xiàn)了空間-角度域中光場的快速測量和合成，這比傳統(tǒng)光場技術(shù)精確得多，其將光調(diào)制過程與數(shù)據(jù)采集分離。

然后，研究人員在單個集成傳感器上通過基于波動光學(xué)的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)（digital adaptive optics，DAO）實現(xiàn)了具有多點像差校正的高性能3D成像。通過利用時空連續(xù)性，研究人員開發(fā)了一種基于光流的運動校正算法，以防止運動偽影并保持成像速度（可以達(dá)到相機幀速率）。

元成像傳感器原理

基于光流的動態(tài)場景運動校正

在元成像傳感器中，帶有數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)的非相干合成孔徑（incoherent synthetic aperture，ISA）有兩個關(guān)鍵特性。一是波動光學(xué)模型用于具有像差校正的高分辨率重建的必要性。光學(xué)像差不僅會移動點擴展函數(shù)（point spread function，PSF），還會略微改變其強度分布，這在以前的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)框架中沒有考慮到。

因此，研究人員在波動光學(xué)數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)迭代過程中使用相位生成的PSF，實現(xiàn)了更好的圖像合成和更準(zhǔn)確的像差估計。另一點涉及微透鏡陣列的集成掃描過程，在相鄰微透鏡之間提供虛擬的空間重疊，使得在成像透鏡的衍射極限內(nèi)不混合ISA的高頻信息。

這種掃描過程解決了空間分辨率和角度分辨率之間的內(nèi)在平衡，而傳統(tǒng)光場中的高空間分辨率，無論是聚焦還是非聚焦方案，都是以降低角度分辨率和景深為代價。

為了驗證元成像傳感器的能力，研究人員對攝影、自動駕駛、工業(yè)檢測、視頻監(jiān)控和天文學(xué)等領(lǐng)域的各種應(yīng)用進行了定量分析。

具體而言，研究人員使用單個透鏡獲得了高達(dá)千兆像素的高性能全聚焦圖像，表明系統(tǒng)成本和容量降低了三個數(shù)量級。特別是在像差嚴(yán)重不均勻的情況下，元成像傳感器的分辨率提高了十倍以上。

此外，元成像傳感器有助于在?80厘米口徑望遠(yuǎn)鏡上進行直徑超過1000弧秒的多點像差校正，為高分辨率地面天氣觀測鋪平了道路。百萬像素深度圖可以在毫秒級獲得，比傳統(tǒng)的光場相機具有更好的精度和分辨率，適用于各種工業(yè)應(yīng)用。

用于自動駕駛和工業(yè)檢測的高速百萬像素深度感測

審核編輯：劉清