南京理工在可编程无透镜全息相机领域取得新进展

近日，南京理工大学电子工程与光电技术学院陈钱、左超教授课题组提出了一种基于可编程掩膜的极简光学成像方法——可编程菲涅尔波带孔径无透镜成像技术。相关成果以“Lensless imaging with a programmable Fresnel zone aperture”为题，发表于国际顶级期刊Science Advances。南京理工大学电光学院2022级硕士研究生张许与2019级博士研究生王博文为共同第一作者，陈钱教授与左超教授为共同通讯作者，为第一完成单位和通讯单位。

传统光学成像系统主要依赖图像传感器与光学镜头的协同配合，分别实现光信号的记录与聚焦。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。然而，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，严重制约了成像系统在虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）和人机交互等对轻量化要求较高场景下的应用，成为当前制约系统整体性能提升与应用拓展的关键瓶颈。

无透镜成像技术通过引入前端光学编码掩模，以替代传统透镜对光场的调控，并结合后端数字计算实现光场信息解调，从而有效降低传统光学成像系统的成本与体积，实现非相干光场高维感知与相位反演。然而，现有静态掩模由于掩模结构固定、系统参数难以根据场景需求灵活调节，使得系统在复杂或非理想条件下容易出现混叠伪影、重建病态等问题，影响成像质量和可用性。因此，如何在保持无透镜成像“极简光学”的基本架构下，进一步提升系统分辨率、信噪比，并增强对复杂动态场景的适应能力，是该领域亟待突破的核心问题与技术挑战。

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“可编程掩膜”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（LenslessImaging with aProgrammable Fresnel Zone Aperture，简称LIP）。通过在可编程掩膜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（图1）。

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