近日，中科院上海光機(jī)所魏朝陽科研團(tuán)隊(duì)提出了一種通過引入高光譜數(shù)據(jù)空間-光譜多維稀疏條件，并基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的單自由曲面透鏡實(shí)現(xiàn)消色差超景深高光譜成像方法，無需對(duì)焦即可實(shí)現(xiàn)大景深范圍的光譜成像。該研究成果發(fā)表在《光子學(xué)研究》（Photonics Research）上，標(biāo)題為《Spatial–spectral sparse deep learning combined with a freeform lens enables extreme depth-of-field hyperspectral imaging》。

傳統(tǒng)高光譜成像（HI）系統(tǒng)受限于有限的景深（DoF），需要對(duì)任何失焦物體進(jìn)行重新聚焦。這一要求不僅會(huì)降低成像速度，還會(huì)使系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜化。在超簡(jiǎn)化的系統(tǒng)中難以在速度、分辨率和景深之間實(shí)現(xiàn)平衡。盡管已有研究報(bào)道了在擴(kuò)展景深方面的進(jìn)展，但其改進(jìn)仍顯不足。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，提出了一種新穎的可微分框架，該框架集成了景深擴(kuò)展（E-DoF）波傳播模型和基于深度學(xué)習(xí)的消色差高光譜重建器。通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了這種緊湊型HI系統(tǒng)能夠以約5米的卓越景深進(jìn)行高保真圖像的快照捕捉，這一性能提升了超過三個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，系統(tǒng)在無色差條件下實(shí)現(xiàn)了超過90%的光譜精度，幾乎是現(xiàn)有方法精度的兩倍。他們?yōu)檠苌?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=光學(xué)',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_6">光學(xué)元件引入了非對(duì)稱自由曲面設(shè)計(jì)，使其兼具設(shè)計(jì)自由度和景深擴(kuò)展雙重功能。通過將高光譜立方體數(shù)據(jù)的空間紋理和光譜特征的稀疏先驗(yàn)條件整合到重建網(wǎng)絡(luò)中，有效緩解了紋理模糊和色差問題。可以預(yù)見，這種消色差景深擴(kuò)展的最優(yōu)策略可推廣至偏振成像、深度測(cè)量等其他光學(xué)系統(tǒng)。

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圖1. E-DoF HI系統(tǒng)

為突破傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)中色差校正與景深擴(kuò)展難以兼容的物理瓶頸，本研究構(gòu)建了單片自由曲面衍射光學(xué)與計(jì)算成像的協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)。如圖2(a)所示，系統(tǒng)通過單自由曲面衍射元件實(shí)現(xiàn)寬波段光場(chǎng)的空-譜聯(lián)合調(diào)控，構(gòu)建可微分的超景深波前傳播物理模型（圖2(b)），建立從三維場(chǎng)景到傳感器平面的非線性光學(xué)映射關(guān)系。隨后設(shè)計(jì)空-譜稀疏消色差重建網(wǎng)絡(luò)（圖2(c)），建立從編碼測(cè)量到光譜立方體的逆向解析路徑。最終實(shí)現(xiàn)可微分光場(chǎng)調(diào)控物理模型的端到端全局優(yōu)化。

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圖2. 消色差超景深高光譜成像系統(tǒng)（AED HI）

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在寬波段（420~660納米）展現(xiàn)出突破性的性能指標(biāo)，在保持10納米光譜分辨率的前提下，將有效景深范圍擴(kuò)展至4.7米（0.5~5.2米），首次實(shí)現(xiàn)了跨5米級(jí)場(chǎng)景的消色差光譜解析。該方法為復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)極簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提供新型解決思路，為近距離動(dòng)態(tài)復(fù)雜場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)高光譜探測(cè)開辟了新的研究思路及設(shè)計(jì)方法，有望應(yīng)用于光譜-深度探測(cè)、新一代智能光譜感知等領(lǐng)域。

該研究得到了上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、上海市啟明星計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.541560