近日，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院陳錢、左超教授課題組提出了一種基于可編程掩膜的極簡光學(xué)成像方法——可編程菲涅爾波帶孔徑無透鏡成像技術(shù)。相關(guān)成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”為題，發(fā)表于國際頂級期刊Science Advances。南京理工大學(xué)電光學(xué)院2022級碩士研究生張許與2019級博士研究生王博文為共同第一作者，陳錢教授與左超教授為共同通訊作者，為第一完成單位和通訊單位。

傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)主要依賴圖像傳感器與光學(xué)鏡頭的協(xié)同配合，分別實現(xiàn)光信號的記錄與聚焦。近年來，隨著手機攝影和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用的快速發(fā)展，圖像傳感器已實現(xiàn)小型化與低成本化，基本滿足了大部分應(yīng)用場景對輕量化與經(jīng)濟性的需求。然而，光學(xué)鏡頭，尤其是高性能鏡頭，仍面臨體積大、重量重、制造成本高等問題，嚴重制約了成像系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）和人機交互等對輕量化要求較高場景下的應(yīng)用，成為當前制約系統(tǒng)整體性能提升與應(yīng)用拓展的關(guān)鍵瓶頸。

無透鏡成像技術(shù)通過引入前端光學(xué)編碼掩模，以替代傳統(tǒng)透鏡對光場的調(diào)控，并結(jié)合后端數(shù)字計算實現(xiàn)光場信息解調(diào)，從而有效降低傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的成本與體積，實現(xiàn)非相干光場高維感知與相位反演。然而，現(xiàn)有靜態(tài)掩模由于掩模結(jié)構(gòu)固定、系統(tǒng)參數(shù)難以根據(jù)場景需求靈活調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)在復(fù)雜或非理想條件下容易出現(xiàn)混疊偽影、重建病態(tài)等問題，影響成像質(zhì)量和可用性。因此，如何在保持無透鏡成像“極簡光學(xué)”的基本架構(gòu)下，進一步提升系統(tǒng)分辨率、信噪比，并增強對復(fù)雜動態(tài)場景的適應(yīng)能力，是該領(lǐng)域亟待突破的核心問題與技術(shù)挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，研究團隊創(chuàng)新性地引入“編碼調(diào)控”的理念，提出了一種基于“可編程掩膜”的極簡光學(xué)成像技術(shù)——可編程菲涅爾波帶孔徑（Fresnel Zone Aperture，F(xiàn)ZA）無透鏡成像方法（LenslessImaging with aProgrammable Fresnel Zone Aperture，簡稱LIP）。通過在可編程掩膜上動態(tài)顯示具有空間偏移的FZA圖案，LIP能夠在頻域?qū)崿F(xiàn)子孔徑的信息調(diào)制與采集，并利用并行重建算法融合各子孔徑數(shù)據(jù)，從而獲得高分辨率、高信噪比的無透鏡全息圖像（圖1）。

圖1.可編程FZA無透鏡全息成像系統(tǒng)示意圖。(A)成像系統(tǒng)構(gòu)成與原理示意圖；(B)基于空域-頻域聯(lián)合優(yōu)化的無透鏡成像框架與編碼調(diào)控策略；(C)團隊自主研發(fā)的小型化LIP無透鏡成像模組