用于高速像差校正3D摄影的元成像传感器

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作者：Usman Ahmed  2022年10月26日 评论者 Sophia Coveney

最近发表在《自然》杂志上的一项研究提出了一种集成扫描高速成像传感器，称为元成像传感器，无需修改任何硬件即可为所有应用完成像差校正的高速3D摄影。

研究：用于像差校正3D摄影的集成成像传感器。

图片来源：Kittisak Srithorn/Shutterstock.com

平面数字图像传感器在各个领域得到广泛应用。近年来，数字图像的像素数量迅速增加。然而，由有缺陷的镜头或外部干扰引起的空间不均匀的光学像差严重限制了成像系统的实际性能。

新的元成像传感器通过微透镜阵列进行超精细的4D分布，而不是直接检测2D强度投影，这允许在后处理过程中灵活准确地形成复杂调制的图像。

元成像传感器仅使用单个球面镜头即可拍摄最大 10 亿像素的照片，从而将系统成本和光学成像成本降低几个数量级。元成像传感器提供一千弧秒的像差校正，而不会影响采集速度。

二维成像传感器的光学约束

二维成像传感器已经改变了众多行业，包括移动技术、自动驾驶汽车、工业检测、医疗诊断、监控、生物学和天文学等领域。

由于半导体行业的爆炸性增长，数字传感器中的像素在过去十年中显著增加。然而，大多数成像系统现在并非是受到电子设备的限制，而是在光学产生的实际瓶颈下运行。

例如，即使使用千兆像素传感器，成像系统的有效像素数通常也限制在百万像素范围内。这是由于镜头故障或外部影响引起的光学像差，导致从单个点发出的光散射到2D传感器上的大面积区域。

当三维 （3D） 图像投影到 2D 平面上时，会丢失各种光场自由度，包括局部相干性和景深。因此，使用集成传感器获得高精度景深图变得具有挑战性。

当前像差校正光学工程技术的局限性

数百年来，光学工程专家一直在开发理想的成像系统，该系统在顺序模式下使用许多精确构造的镜头来校正像差。空间带宽积表征光学系统的自由度。

由于衍射极限决定了有效像素的上限。然而，这也导致光学设计和制造的难度呈指数级上升。

如果能大幅度提高加工精度，自由曲面和超镜头可以通过形成最佳的光学透镜表面来解决这个问题。图片去模糊算法通过精确估计点扩散函数来提高图像对比度。具有隐式光圈的图像去模糊算法通过降低频域中的零点来保留更多数据。

然而，恢复低调制传输丢失的高频数据极具挑战性，这些方法通常需要特定数据来处理空间上不均匀的像差。所有用于像差校正的光学工程技术都容易受到动态环境像差的影响，即使景深较浅也是如此。

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用于主动像差校正的自适应光学器件

自适应光学器件可以通过使用空间光调制器或可变形透镜阵列以不同角度将从一个地方发出的光束传送到传感器上的同一位置来主动补偿像差。像差波前可以通过特定的评估措施使用波前传感器进行监测。

由于空间上不均匀的像差，现有自适应光学技术的有效视场（FOV）非常窄。自适应光学的视场受到空气湍流的限制，直径约为40角秒，这对于大型综合巡天望远镜来说是不够的。

由于当今大多数自适应光学系统的复杂性、成本和重量等因素使得便携式设备或轻型系统的设计具有挑战性。 

开发用于像差校正3D成像的元成像传感器

Wu等人提出了一种集成扫描高速成像框架，称为元成像传感器，它包含软件和硬件，以合理的价格提供像差校正的高速3D成像。

元成像传感器能够通过脉动编码微透镜阵列高速形成光场并进行测量。微透镜阵列比传统的光场技术精确得多。

研究人员在集成传感器上使用数字自适应光学器件，并通过多位点像差校正形成了高性能3D成像。他们创建了一种基于光流的校正算法，以避免运动伪影，并通过利用时空连续性（高达相机帧速率）来保持成像速度。

他们还通过工业检验、摄影、视频监控、自动驾驶和天文学中的许多应用进行了一项定量研究，以确定元成像传感器的功能。

专用元成像传感器的潜力

元成像传感器的分辨率提高了近十倍，特别是在像差严重不均匀的情况下。元成像传感器能够在直径超过1000角秒的80厘米口径望远镜上进行多点像差校正，为高分辨率地面气象研究打开了大门。

与适用于各种工业应用的现有光场相机相比，可以以更高的精度和分辨率同时进行毫秒级的百万像素景深图采集。

该元成像传感器为常规应用中的计算成像开辟了新的领域。通过结合数字非相干光的精确光学调制灵活性，它提供了传统2D传感器无法达到的数量级优势。

参考文献

吴建军、郭彦、邓春、张安、乔华、卢志、谢杰、方立和戴琪Q （2022）。用于像差校正 3D 摄影的集成成像传感器。自然，1-10。https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8 

作者

Usman Ahmed

Usman拥有中国西安交通大学材料科学与工程硕士学位。在学习期间，他参与了涉及航空航天材料，纳米复合涂层，太阳能电池和纳米技术的各种研究项目。自毕业以来，他一直担任自由材料工程顾问。他还在国际期刊上发表了具有高影响因子的高质量研究论文。他喜欢在业余时间看书、看电影和踢足球。