上海光机所：单自由曲面透镜实现消色差超景深高光谱成像

近日，中科院上海光机所魏朝阳科研团队提出了一种通过引入高光谱数据空间-光谱多维稀疏条件，并基于深度学习设计的单自由曲面透镜实现消色差超景深高光谱成像方法，无需对焦即可实现大景深范围的光谱成像。该研究成果发表在《光子学研究》（Photonics Research）上，标题为《Spatial–spectral sparse deep learning combined with a freeform lens enables extreme depth-of-field hyperspectral imaging》。

传统高光谱成像（HI）系统受限于有限的景深（DoF），需要对任何失焦物体进行重新聚焦。这一要求不仅会降低成像速度，还会使系统架构复杂化。在超简化的系统中难以在速度、分辨率和景深之间实现平衡。尽管已有研究报道了在扩展景深方面的进展，但其改进仍显不足。为应对这一挑战，提出了一种新颖的可微分框架，该框架集成了景深扩展（E-DoF）波传播模型和基于深度学习的消色差高光谱重建器。通过严格的实验验证，证明了这种紧凑型HI系统能够以约5米的卓越景深进行高保真图像的快照捕捉，这一性能提升了超过三个数量级。

此外，系统在无色差条件下实现了超过90%的光谱精度，几乎是现有方法精度的两倍。他们为衍射光学元件引入了非对称自由曲面设计，使其兼具设计自由度和景深扩展双重功能。通过将高光谱立方体数据的空间纹理和光谱特征的稀疏先验条件整合到重建网络中，有效缓解了纹理模糊和色差问题。可以预见，这种消色差景深扩展的最优策略可推广至偏振成像、深度测量等其他光学系统。

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图1. E-DoF HI系统

为突破传统光谱成像系统中色差校正与景深扩展难以兼容的物理瓶颈，本研究构建了单片自由曲面衍射光学与计算成像的协同设计架构。如图2(a)所示，系统通过单自由曲面衍射元件实现宽波段光场的空-谱联合调控，构建可微分的超景深波前传播物理模型（图2(b)），建立从三维场景到传感器平面的非线性光学映射关系。随后设计空-谱稀疏消色差重建网络（图2(c)），建立从编码测量到光谱立方体的逆向解析路径。最终实现可微分光场调控物理模型的端到端全局优化。

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图2. 消色差超景深高光谱成像系统（AED HI）

该项实验表明，系统在宽波段（420~660纳米）展现出突破性的性能指标，在保持10纳米光谱分辨率的前提下，将有效景深范围扩展至4.7米（0.5~5.2米），首次实现了跨5米级场景的消色差光谱解析。该方法为复杂光学系统极简化设计提供新型解决思路，为近距离动态复杂场景下的实时高光谱探测开辟了新的研究思路及设计方法，有望应用于光谱-深度探测、新一代智能光谱感知等领域。

该研究得到了上海市扬帆计划、上海市启明星计划等项目的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.541560