圖1 消色差超景深高光譜成像系統(tǒng)

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部魏朝陽研究員團(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，無需對焦即可實(shí)現(xiàn)大景深范圍的光譜成像。相關(guān)研究成果以“Spatial-spectral sparse deep learning combined with a freeform lens enables extreme depth-of-field hyperspectral imaging”為題發(fā)表于Photonics Research。

高光譜成像技術(shù)憑借同時(shí)獲取目標(biāo)空間與連續(xù)光譜信息的能力，在環(huán)境監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)重要價(jià)值。基于壓縮感知與編碼孔徑快照技術(shù)的高光譜成像雖克服了依賴機(jī)械掃描進(jìn)行光譜成像的低效率問題，但受光學(xué)系統(tǒng)景深(DoF)的嚴(yán)重制約——空間分辨率與景深的沖突，使得大景深場景中離焦模糊與光譜失真問題難以避免。如何在保持高分辨率和高光譜精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大景深的高光譜成像，成為了當(dāng)前研究的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

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1a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1b)，建立從三維場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1c)，建立從編碼測量到光譜立方體的逆向解析路徑。最終實(shí)現(xiàn)可微分光場調(diào)控物理模型的端到端全局優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在寬波段(420-660nm)展現(xiàn)出突破性的性能指標(biāo)，在保持10nm光譜分辨率的前提下，將有效景深范圍擴(kuò)展至4.7米(0.5-5.2m)，首次實(shí)現(xiàn)了跨5米級場景的消色差光譜解析。該方法為復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)極簡化設(shè)計(jì)提供新型解決思路，為近距離動(dòng)態(tài)復(fù)雜場景下的實(shí)時(shí)高光譜探測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、新一代智能光譜感知等領(lǐng)域。

相關(guān)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。

審核編輯 黃宇