計算光學成像將如何推動技術變革？
發布時間：2023-01-30 1424人看過
光是人類感知世界的信息載體，也是人類的希望。
早在遠古時代，古埃及人與美索不達米亞人第一次將石英晶體磨光制成寧路德透鏡（Nimrud lens），翻開了人類光學成像歷史的第一頁，距今已3000多年的歷史。
過去十多年來，隨著微納加工工藝的快速進步、光傳感器（芯片）的多功能化、信息計算能力提升等新一代技術的不斷演進，一個新興多學科交叉技術“計算光學成像”應運而生，悄無聲息中顛覆了人類與機器感知世界的方式。
計算光學成像以具體應用任務為準則，改變傳統光學成像所見即所得的設計理念，通過多維度獲取或編碼光場信息（如角度、偏振、相位等），為傳感器設計遠超人眼的感知新范式，同時結合數學和信號處理知識，深度挖掘光場信息，在空間分辨率、成像速度、靈敏度、數據通量等一系列維度取得了前所未有的突破，廣泛應用于手機智能攝影、汽車自動駕駛、生物醫學成像、深空探測、VR/AR等領域。
2014年和2017年諾貝爾化學獎中，瑞典皇家科學院授予了美國、德國、瑞士、英國共六位科學家，分別表彰他們為發展超分辨率熒光顯微鏡、冷凍電鏡技術所作的貢獻，讓人類得以細窺納米世界。“計算光學成像”的理念在其中承擔著重要作用。
今年1月11日，阿里達摩院2023十大科技趨勢發布，計算光學成像、生成式AI（人工智能）、存算一體等技術成功入選。更早之前的12月下旬，彭博發布的一篇Opinion文章中提到，計算光學成像中的“元光學”（Meta-Optics）技術有望在今年引起廣泛關注，并在未來十年內產生變革。
實際上，相比其他大眾認知性較強的技術領域，由于計算光學成像太專業化了，因此技術較“冷門”，很少有媒體關注到，但卻已經在潛移默化中應用在幾乎日常生活中涉及光學的方方面面。而且該技術對于人類觸及“見所未見”事物過程非常重要，大大提升了信息獲取能力，突破傳統光學成像極限，帶來很多更具創造力和想象力的應用，促進了基礎學科和應用學科發展，有望進一步顛覆傳統成像體系。
1月中旬，2022第五屆“達摩院青橙獎”獲得者、清華大學自動化系助理教授吳嘉敏接受了鈦媒體App的獨家專訪。作為達摩院十大科技趨勢項目特邀專家，吳嘉敏非常詳盡地向我們介紹和闡述“計算光學成像”為何會成為2023年趨勢性技術，以及該技術未來將如何推動技術發展與變革。
“借你一雙慧眼”的冷門技術
2022年7月11日，在長達20年的開發、100億美元的高昂投入和150萬公里的太空艱險旅行之后，美國宇航局（NASA）發布了旗下詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）拍攝到的非常珍貴的第一張全彩圖像，展示了從地球上看到的一些最遙遠星系的深空區，凸顯了JWST驚人的觀測能力。
這一事件入選了2022《Science》（科學）雜志年度十大科學突破。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在各個方面幾乎都達到了人類在傳統光學工藝上的極限，“計算光學成像”技術有望在未來帶來新的突破，拓展人類對宇宙的認知邊界，同時極大地降低成本。
光學成像系統主要由光源、光學鏡頭組、光探測器三部分組成。其中，傳統光學成像建立在幾何光學基礎上，利用光學鏡頭將三維場景目標發出或者透/反/散射的光線聚焦在表面上，探測器像素和樣品之間通過建立一種直接的一一對應關系來獲取圖像，圖像的強度由光探測器離散采集，并經過圖像處理器計算處理后形成可顯示的圖像。
不過，傳統光學成像這類基于人類視網膜“所見即所得”的技術原理，忽略了諸多光本身的高維信息，導致其受強度成像機理、探測器技術水平、光學系統設計、成像衍射極限等等因素的限制，以及單視角、相位丟失、光譜積分、二維平面成像等因素的制約。
此外，當前傳統光學成像在硬件功能、成像性能方面接近物理極限，在眾多領域已無法滿足應用需求。例如，在手機攝影領域，無法在保證成像效果的同時縮小器件重量和體積，出現令人詬病的“前劉海”和“后浴霸”的情況；在顯微成像領域，無法同時滿足寬視場和高分辨率的需求；在監控遙感領域，難以在光線較暗、能見度較低、距離極遠的復雜環境中獲得清晰圖像等。
那么，突破“所見即所得”的一一映射，到對高維光場的耦合編碼與計算重構，克服常規成像的局限性，以更低的成本獲得更多更高質量的高維信息（諸如深度、光譜、偏振等等），是計算光學成像——“借你一雙慧眼”能夠出現的重要原因。
1873年，德國科學家恩斯特·阿貝(Ernst Abbe)提出了基于波動光學的衍射極限。即光學系統的分辨率存在上限。在很長一段時間里，衍射極限限制了高分辨率成像。隨后，多位科學家利用計算成像技術，巧妙地通過波前編碼技術或時域稀疏特性，繞過了光學衍射極限，實現了在活細胞內的納米級觀測，并獲得了2014年的諾貝爾化學獎。
2016年，基于超表面的概念，哈佛大學的科學家Federico Capasso研制了首個在可見光范圍內有效聚焦的超透鏡（Metalens），開辟了平面光學（Flat Optics）領域，能夠實現對復雜光場的超精細調制，有望極大地縮小成像系統的尺寸與成本。
2022年10月，英國《自然》雜志發表了吳嘉敏助理教授擔任第一作者的研究成果，研究團隊提出了一種集成式的掃描光場成像傳感器，稱為元成像傳感器，進一步發展了數字自適應光學架構，無需額外的硬件修改即可實現適用于通用應用的高速像差校正三維攝影。
這些研究成果背后，是計算光學成像技術帶來的巨大應用實踐。
吳嘉敏對鈦媒體App表示，相比傳統光學成像，計算光學成像是將數字化、信息化深度融合在光學設計里面，軟硬件一體化，通過計算為光學成像注入了新的“生命”。
“從理念上來說，傳統光學成像最核心的設計理念是‘人眼在設計’，我們把Sensor（傳感器）當作人眼來設計的光學系統。而計算光學最重要、最核心的是改變了這樣一個設計，是讓機器更好地感知這個世界；從原理上來說，把數字化融入到光學成像過程當中，在感知成像的過程中就開始進行計算編碼，數字化建模整個成像過程，在光電轉換以后再通過計算重構恢復想要獲得的高維信息，甚至可以選擇去完成特定的智能任務，比如圖像分類，人臉識別。把計算與成像過程完全融合在一起。”吳嘉敏表示，計算光學成像的核心作用，是能夠解決很多普通光學無法處理的瓶頸和難題。
由于計算光學成像研究內容覆蓋范圍廣，包括無透鏡成像 （FlatCam）、元光學成像等，目前還沒有一個比較明確的分類方法。按照計算成像技術所解決的應用問題來分類，可以大致分為以下三類：
功能提升：對傳統方式無法獲取的光學信息，如光場、偏振、相干度等進行成像或測量；
性能提升：即提升現有成像技術的性能指標，如空間分辨率、時間分辨率、景深、復雜環境魯棒性等；
簡化與智能化：通過單像素、無透鏡等特定技術簡化成像系統，或者以光速實現特定人工智能任務。
