关于计算光学成像的那些事儿
计算成像技术（CIT）就是在传统“所见即所得”的光学成像方法上增加了“计算”的过程，即通过建立目标场景与观测图像之间的变化获调制模型，然后利用不同的计算方法重建获增强成像的过程，这种技术可以突破传统光学成像技术的种种限制，有助于促进成像设备的高性能化、微型化和智能化。
计算成像系统的基本构成
不同于传统光电成像技术的分立式表征，计算成像系统是将照明模块、传输模块、光学系统模块、探测器模块和显示模块等进行一体化的表征，系统的以全局角度对成像系统进行设计与优化，如图1所示为计算成像的全局链路图，它是以问题为导向并对光源、传输介质等进行相应的计算处理完成预期目标的成像系统，突破了传统成像技术难以解决的问题，并使得超衍射成像、无透镜成像、大视场高分辨率成像及透过散射介质清晰成像等成为可能，为成像领域带来了全新的突破。
图1 计算成像全局链路图
计算成像技术示例
01
散射成像技术
当光学系统在实际应用时，光波并不是在理想环境中进行传播，而是在云雾、灰尘、生物组织、烟尘和悬浊液等复杂环境中进行传播，这些散射介质不仅会将入射的光波打散使其向不同方向散射，还会改变入射光波的强度、相干性和偏振等特性，在很大程度上降低了成像质量，因此如何在散射介质中实现高分辨率成像是光学系统中亟需解决的问题。
基于波前整形的散射成像技术
散射介质中的光在传播过程中会受到多次未知散射的干扰，使得光在介质中的传输量化面临着巨大的挑战，但有研究表明散射介质中入射波和出射波存在确定性的关系，并在静止状态下保持不变。因此当已知散射介质的传输特性（其分布和轨迹一般用散射矩阵描述）时，就可以根据入射波前直接计算散射场信息，反之也可以通过目标散射场信息对入射波前进行整形，从而实现任意位置的聚焦和成像等功能。
目前实现波前整形散射成像技术最为常见的是基于反馈信号的波前整形，该方法是由荷兰特温特大学的Vellekoop等人在2007年提出的，如图2所示，正常情况下，入射光束通过散射介质时会使各个位置的相位呈随机分布，从而导致出射光束呈混乱的散斑图案；Vellekoop等人首先通过计算得出入射光场和出射光场的线性关系，随后根据计算结果并通过空间光调制器逐点对入射光场波前进行调控，从而在散射介质后形成焦点。
这一研究成功打破了散射成像一直以来的瓶颈，也进一步提高了波前整形技术在生物组织深层显微镜、内窥镜和超分辨成像等领域的应用潜力。
图2 （a）平面波散射成像示意图；（b）基于波前整形的散射成像示意图
虽然基于波前整形的散射成像技术可以实现透过散射介质或者在散射介质内部重聚焦和成像，但仍旧存在数据测量较多、耗时较长和需要参考源等缺点，在一定程度上增加了其复杂性和成本。
基于光学记忆效应的散射成像技术
在波前整形技术发展的同时，相关研究人员也一直在寻找其他散射成像的技术和方法。2012年，荷兰特温特大学的J.Bertolotti等人提出了一种突破性的散射成像方法——基于光学记忆效应（OME）的散射成像技术。
该方法将光源与相机放在散射介质的同侧，而所制备的荧光样本放置在另一侧且被完全遮挡，随后通过扫描光源、多次测量和计算重建散斑便可以非侵入式的恢复隐藏样本的信息，这种方法不需要测量光场分布，仅通过接受到的强度散斑便可实现目标的重建，如图3所示。
图3 基于光学记忆效应的散射成像技术实验示意图及实验结果
02
偏振成像技术
偏振是光的本质属性之一，表征了光在传播方向上的振动情况，基于菲涅耳理论偏振可以反映物体表面特征，并且可以用于物体表面建模、形状恢复、抗干扰目标检测和反射率分析。且经研究与实践证明，利用偏振特性能够有效地在散射介质中解决图像退化问题，恢复图像，改善图像质量。
偏振成像技术通常是通过拍摄多幅经不同检偏器调制后的强度图像，再进行偏振信息提取实现的，按照偏振图像提取方式的不同，可以将其分为分时偏振成像系统和同时偏振成像系统。
分时偏振成像系统
分时偏振成像是指通过旋转偏振器件改变偏振角度，1次成像采集1幅偏振图像，旋转多次完成偏振图像的获取的一种方式。根据多幅（常为3幅或4幅）偏振图像来计算出四个Stokes参数。这种成像系统结构简单，但误差较大、成像质量较差，不适用于序列图像和变换的场景。
同时偏振成像系统
同时偏振成像系统，顾名思义就是可以同时获取Stokes的四个偏振参数，主要有振幅分光成像装置、孔径分光成像装置和焦平面分光成像装置，这种成像系统精度高、稳定性强，但结构相对复杂、工艺要求和成本较高。
偏振成像技术是一种新型的计算成像技术，与平时所采用的光强度成像方式相比，在抑制背景噪声、提高探测距离、获取细节特征以及目标伪装识别等方面具有绝对的优势，具有非常广泛的应用，例如探测隐藏/伪装目标、水下目标探测与识别、烟雾气候环境下的导航等一系列工业、医疗和科研领域的应用。
图4 （左）海康威视的偏振相机示意图；（右）索尼偏振光传感器
03
光子计数成像技术
在光强正常的情况下，可以把光当作模拟量进行探测，但在光强非常弱的情况下，却无法进行类似的探测，需要通过微光像增强技术进行探测，而光子计数成像技术便是其中较为有效的方法之一。
当光强正常时，入射光束可以看作是大量光子组成的光子流，并通过光电探测器对叠加的光子统一进行探测，这种探测方式也称为模拟方式；而当入射光功率逐渐减弱时，光电子脉冲的叠加也逐渐减小为不连续状态、分离状态、随机分布状态直至单光子状态，此时便需要光子探测器对分离的光子或者单光子进行探测并确定其空间位置，即进行二维光子计数探测，这种方法便是光子计数成像的基础。
图5 基于光子计数成像技术的激光扫描显微镜系统（该产品由Becker and Hickl GmbH制造）
利用光子成像技术可以解决传统光学系统无法对微弱光信号成像的问题，可以广泛应用于军事和科研的众多领域，如卫星侦察、天文观测仪、导弹预警跟踪系统等。
04
仿生光学成像技术
随着探测器和计算机科学的发展，传统光学系统在自动化、图像识别、精密探测等领域的表现不尽人意，且受衍射极限等因素的影响，实现小型化越来越难。为了提升光学系统的信息容量，在昆虫复眼的启发下，人们提出了仿生复眼成像系统。
仿生复眼成像系统，顾名思义跟昆虫复眼类似，是由多孔径、多结构或者多尺寸的小透镜阵列拼接的平面或者曲面透镜系统，其分辨能力与小复眼透镜数量成正比，为克服大视场成像和高分辨率成像之间的矛盾提供了行之有效的方法。目前已经将仿生复眼的研究结果广泛应用于夜视设备、微型复眼相机、雷达系统和微型飞行器等领域中，如图6所示。
图6 Mantis螳螂系列监控相机及其实时监控场景
总 结
传统光电成像是在工业化时代发展起来的，随着工业化基础的积累，依然出现了瓶颈问题，随着信息化时代的来临，更强的计算能力、新材料、量子理论等新方法的涌现为光电成像带来更广阔的空间。
计算成像正是集光学、电子学、计算方法、信息处理于一体的交叉学科，是在传统技术上的融合创新。在光学成像方面中，可以通过利用数理模型和相应算法描述或者改变成像过程，对成像结果进行优化或重构；在系统工程方面，可以基于不同的成像原理，对传统光学系统进行灵活设计，而且可以通过改变成像方式进行设计优化。
总之，该方法可以在计算能力、新材料和量子理论等新方法的基础上对传统光学技术进行更新和突破，必将大幅度推动现有的成像体制发展，在理论和应用上获得重大创新。