中山大學光電材料與技術國家重點實驗室周建英教授團隊發(fā)展出一種逆向恢復成像的實驗新技術，采用獨特的光學系統(tǒng)設計找到在混亂光影中解讀原始圖像的秘鑰，結(jié)合多波長光場的分離，實現(xiàn)了大光學視場的實時彩色成像。

光散射是限制光傳輸以及降低和破壞光學成像效果的主要因素。例如，霧霾對光線的散射給高速公路交通安全帶來諸多隱患；濃煙對光線的散射使火災現(xiàn)場的逃生、搜救困難重重；不透光的生物組織給醫(yī)學診斷和治療帶來極大挑戰(zhàn)。

如果我們能夠消除散射帶來的不利影響，甚至化弊為利使光的散射信息得到恰當利用，那么上述這些問題都將迎刃而解。人們也一直期待擁有高效的透視成像技術——其將在民用、醫(yī)療、國家安全等眾多領域發(fā)揮較大的應用價值，并且這一技術也具有重要的科學意義。近年來，這一領域的研究和探索不斷取得進展，已經(jīng)成為光物理科學與應用領域重要而熱門的研究課題。
 

近期，中山大學光電材料與技術國家重點實驗室周建英教授團隊發(fā)展出一種逆向恢復成像的實驗新技術，有效地利用了透過散射體的彌散光信號，實現(xiàn)了大光學視場的實時彩色圖像的重構(gòu)。該研究成果于近期發(fā)表在Scientific Report [6, 32696 (2016)]上。

 

圖   散射體透視成像  a, b)透過散射體，相機拍攝到的彌散光斑; c, d)通過算法從彌散光斑中恢復出來的隱藏物體圖像; e-h) 恢復隱藏物體的彩色圖像。

散射過程表面看似雜亂無章，實則成像的信息恰被隱藏在混亂無序的散斑當中。1988年，科學家發(fā)現(xiàn)薄散射體存在一種特殊的性質(zhì)——“記憶效應”，同時揭示了散射成像過程即是點擴散函數(shù)與物體的卷積。點擴散函數(shù)也稱為系統(tǒng)的響應函數(shù)，它某種程度上包含了散射體自身的信息，實際上成為從混亂光影中解讀原始圖像的秘鑰。

周建英教授團隊利用解卷積算法發(fā)展了逆向恢復成像的實驗新技術，采用獨特的光學系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了光學系統(tǒng)視場的擴展；同時引進顯卡圖像處理器進行維納濾波，實現(xiàn)了毫秒量級的高質(zhì)量成像恢復，從而達到了透射光學成像的實時性要求。進一步，通過對多波長光場的分離、處理和復合，該光學系統(tǒng)還實現(xiàn)了對隱藏物體色彩信息的恢復，從而具有了對隱藏物體的光譜“指紋”開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性分析的能力。下圖展示了這項透視技術在實驗室環(huán)境下彩色圖像恢復和實時動態(tài)成像的實驗結(jié)果。

 

圖   散射體后的實時大角度彩色成像技術

散射體透視成像技術的發(fā)展，使得原來認為毫無用處的散射光被重新挖掘和利用，為高效成像提供了新的思路。目前來說，要實現(xiàn)科幻電影或小說中呈現(xiàn)的離奇的透視技術當然還不現(xiàn)實，但是散射光的有效利用，確實可為解決本文起始提到的諸多現(xiàn)實生活中的問題提供可資利用的解決手段。