【ScienceAAAS】 | 可编程无透镜全息相机：极简计算光学成像系统的新范式

近日，南京理工大学陈钱、左超教授研究团队在无透镜成像领域取得重要进展：针对传统无透镜成像技术中“掩模固定不变、成像灵活度不足、系统参数难以自适应”等瓶颈，团队创新提出了一种基于“可编程掩模”的极简光学成像技术——可编程菲涅尔波带孔径（Fresnel Zone Aperture，FZA）无透镜成像方法。建立了无透镜成像系统空间域精确采样匹配的最优参数准则，结合FZA的偏移点扩散函数调制与频域叠层并行融合策略，构建了“空域-频域”联合优化的可编程无透镜成像框架，有效解决了传统固定掩模无透镜成像中难以规避的混叠与伪影问题，实现了高分辨率（分辨率提升2.5倍）、高质量（信噪比提升3 dB）、多模态（静态/动态智能切换）的实时（最高15 fps）无透镜全息（数字重聚焦）成像，为未来计算光学成像向“高分辨、小型化、智能化”发展提供了新思路。

相关研究成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”为题，2025年3月21日发表于Science系列期刊Science Advances。

图1- 可编程FZA无透镜全息成像系统示意图。(A)成像系统构成与原理示意图；(B)基于空域-频域联合优化的无透镜成像框架与编码调控策略；(C)团队自主研发的小型化LIP无透镜成像模组

图源：Science Advances

传统光学成像系统依赖于图像传感器与光学镜头的协同作用，分别实现图像的数字记录与光学聚焦功能。近年来，随着手机摄影和可穿戴设备等应用的快速发展，图像传感器已实现小型化与低成本化，基本满足了大部分应用场景对轻量化与经济性的需求。但光学镜头，尤其是高性能镜头，仍面临体积大、重量重、制造成本高等问题，限制了其在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等对轻量化和便携性要求高的领域应用（图2）。

图2- 基于透镜的传统光学成像系统

无透镜成像技术通过引入前端光学编码掩模调控以替代传统厚重的透镜，并在后端数字计算解调光场信息，从而有效降低传统光学成像系统的成本与体积。然而，传统静态调制无透镜成像因掩模固定、参数难以调节，在复杂或非理想条件下易出现混叠伪影、重建病态等问题，显著降低了成像质量和可用性。因此，如何在保持无透镜成像“极简光学”架构的基础上，提升分辨率、信噪比，增强对复杂动态场景的适应能力，成为该领域所面临的核心问题与技术挑战（图3）。

图3- 基于计算光学的无透镜成像技术

为解决上述问题，研究团队创新性地引入“编码调控”的理念，提出了一种基于“可编程掩模”的极简光学成像技术——可编程菲涅尔波带孔径（FZA）无透镜成像方法（LenslessImaging with a Programmable Fresnel zone aperture，简称LIP）。通过在可编程掩模上动态显示具有空间偏移的FZA图案，LIP能够在频域实现子孔径的信息调制与采集，并利用并行重建算法融合各子孔径数据，从而获得高分辨率、高信噪比的无透镜全息图像。LIP成像框架基于“空域-频域联合优化”策略，从两个维度同时提升成像性能（图4）：在空域方面，综合考虑频谱采样、角视场与信号完整度等要素，提出了FZA最优参数的空域设计准则，以最大程度地保证中心频谱的采样与避免混叠伪影的发生，实现成像视场与分辨率的平衡；在频域方面，通过可编程液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）实现对FZA中心孔径的“偏移”调制，等效为在频域中采集多子孔径信息，并利用并行算法对各子孔径复振幅进行融合，进一步提升重建图像的分辨率与信噪比。

图4- 基于空域-频域联合优化的无透镜成像框架。(A), (B) 空域像素精确采样与最优参数匹配；(C), (D) 频域FZA偏移调制与并行合成

图源：Science Advances

基于自主研发的小型化LIP成像模组，研究团队通过静态分辨率表征与动态实时成像两方面实验，系统性验证了LIP在成像分辨率、成像信噪比以及混叠伪影抑制等方面的成像性能。与传统静态调制无透镜成像方法相比，所提出的LIP在测试标准分辨率靶标与复杂彩色纹理目标时，分辨率提高2.5倍，信噪比增强3 dB，能够抑制高分辨重构时易出现的混叠伪影（图5）。

图5- LIP的静态分辨率表征与复杂物体成像测试结果。(A)实验场景示意图；(B)分辨率重建结果；(C), (D) 复杂彩色纹理目标重建结果

图源：Science Advances

在动态手势交互场景下，通过自适应切换编码调控策略，LIP可稳定实现15 fps的重建帧率，对如点击、缩放、拖动、旋转等常见手势交互动作进行准确捕捉与识别，在压缩成像系统体积（减少约90%）的同时，保持了高质量、高帧率的实时动态成像性能（视频1）。

视频1- 动态手势交互应用。通过自主研发小型化LIP无透镜成像模组对常见交互手势进行准确捕捉与识别，实现15fps的实时动态交互

视频源：Science Advances

南京理工大学研究团队提出的“可编程菲涅尔波带孔径无透镜成像”（LIP）方法，通过“空域参数优化”与“频域并行合成”联合优化，实现了对传统无透镜成像混叠伪影问题的有效抑制。在“静态模式”可以实现2.5倍的分辨率提升及3 dB的信噪比增强，在“动态模式”中可达到15 fps的实时交互帧率，并可基于全息波前数值衍射实现“先拍照，后聚焦”，兼顾高分辨率与实时性。未来，LIP有望在小型化、多模态及高维度等方面得到进一步拓展与应用，为生物医学、安防监控、智能交互、国防安全等领域提供性能强大的“极简光学”计算成像方案。

转自 | ScienceAAAS
复审 | 左超

终审 | 徐峰