計(jì)算光學(xué)成像將如何推動(dòng)技術(shù)變革？
發(fā)布時(shí)間：2023-01-30 1135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(yuǎn)古時(shí)代，古埃及人與美索不達(dá)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(xué)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(jìn)步、光傳感器（芯片）的多功能化、信息計(jì)算能力提升等新一代技術(shù)的不斷演進(jìn)，一個(gè)新興多學(xué)科交叉技術(shù)“計(jì)算光學(xué)成像”應(yīng)運(yùn)而生，悄無聲息中顛覆了人類與機(jī)器感知世界的方式。
計(jì)算光學(xué)成像以具體應(yīng)用任務(wù)為準(zhǔn)則，改變傳統(tǒng)光學(xué)成像所見即所得的設(shè)計(jì)理念，通過多維度獲取或編碼光場(chǎng)信息（如角度、偏振、相位等），為傳感器設(shè)計(jì)遠(yuǎn)超人眼的感知新范式，同時(shí)結(jié)合數(shù)學(xué)和信號(hào)處理知識(shí)，深度挖掘光場(chǎng)信息，在空間分辨率、成像速度、靈敏度、數(shù)據(jù)通量等一系列維度取得了前所未有的突破，廣泛應(yīng)用于手機(jī)智能攝影、汽車自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)學(xué)成像、深空探測(cè)、VR/AR等領(lǐng)域。
2014年和2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)中，瑞典皇家科學(xué)院授予了美國(guó)、德國(guó)、瑞士、英國(guó)共六位科學(xué)家，分別表彰他們?yōu)榘l(fā)展超分辨率熒光顯微鏡、冷凍電鏡技術(shù)所作的貢獻(xiàn)，讓人類得以細(xì)窺納米世界。“計(jì)算光學(xué)成像”的理念在其中承擔(dān)著重要作用。
今年1月11日，阿里達(dá)摩院2023十大科技趨勢(shì)發(fā)布，計(jì)算光學(xué)成像、生成式AI（人工智能）、存算一體等技術(shù)成功入選。更早之前的12月下旬，彭博發(fā)布的一篇Opinion文章中提到，計(jì)算光學(xué)成像中的“元光學(xué)”（Meta-Optics）技術(shù)有望在今年引起廣泛關(guān)注，并在未來十年內(nèi)產(chǎn)生變革。
實(shí)際上，相比其他大眾認(rèn)知性較強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)域，由于計(jì)算光學(xué)成像太專業(yè)化了，因此技術(shù)較“冷門”，很少有媒體關(guān)注到，但卻已經(jīng)在潛移默化中應(yīng)用在幾乎日常生活中涉及光學(xué)的方方面面。而且該技術(shù)對(duì)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(tǒng)光學(xué)成像極限，帶來很多更具創(chuàng)造力和想象力的應(yīng)用，促進(jìn)了基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科發(fā)展，有望進(jìn)一步顛覆傳統(tǒng)成像體系。
1月中旬，2022第五屆“達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)”獲得者、清華大學(xué)自動(dòng)化系助理教授吳嘉敏接受了鈦媒體App的獨(dú)家專訪。作為達(dá)摩院十大科技趨勢(shì)項(xiàng)目特邀專家，吳嘉敏非常詳盡地向我們介紹和闡述“計(jì)算光學(xué)成像”為何會(huì)成為2023年趨勢(shì)性技術(shù)，以及該技術(shù)未來將如何推動(dòng)技術(shù)發(fā)展與變革。
“借你一雙慧眼”的冷門技術(shù)
2022年7月11日，在長(zhǎng)達(dá)20年的開發(fā)、100億美元的高昂投入和150萬公里的太空艱險(xiǎn)旅行之后，美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)布了旗下詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)星系的深空區(qū)，凸顯了JWST驚人的觀測(cè)能力。
這一事件入選了2022《Science》（科學(xué)）雜志年度十大科學(xué)突破。
詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在各個(gè)方面幾乎都達(dá)到了人類在傳統(tǒng)光學(xué)工藝上的極限，“計(jì)算光學(xué)成像”技術(shù)有望在未來帶來新的突破，拓展人類對(duì)宇宙的認(rèn)知邊界，同時(shí)極大地降低成本。
光學(xué)成像系統(tǒng)主要由光源、光學(xué)鏡頭組、光探測(cè)器三部分組成。其中，傳統(tǒng)光學(xué)成像建立在幾何光學(xué)基礎(chǔ)上，利用光學(xué)鏡頭將三維場(chǎng)景目標(biāo)發(fā)出或者透/反/散射的光線聚焦在表面上，探測(cè)器像素和樣品之間通過建立一種直接的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系來獲取圖像，圖像的強(qiáng)度由光探測(cè)器離散采集，并經(jīng)過圖像處理器計(jì)算處理后形成可顯示的圖像。
不過，傳統(tǒng)光學(xué)成像這類基于人類視網(wǎng)膜“所見即所得”的技術(shù)原理，忽略了諸多光本身的高維信息，導(dǎo)致其受強(qiáng)度成像機(jī)理、探測(cè)器技術(shù)水平、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(dāng)前傳統(tǒng)光學(xué)成像在硬件功能、成像性能方面接近物理極限，在眾多領(lǐng)域已無法滿足應(yīng)用需求。例如，在手機(jī)攝影領(lǐng)域，無法在保證成像效果的同時(shí)縮小器件重量和體積，出現(xiàn)令人詬病的“前劉海”和“后浴霸”的情況；在顯微成像領(lǐng)域，無法同時(shí)滿足寬視場(chǎng)和高分辨率的需求；在監(jiān)控遙感領(lǐng)域，難以在光線較暗、能見度較低、距離極遠(yuǎn)的復(fù)雜環(huán)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(duì)高維光場(chǎng)的耦合編碼與計(jì)算重構(gòu)，克服常規(guī)成像的局限性，以更低的成本獲得更多更高質(zhì)量的高維信息（諸如深度、光譜、偏振等等），是計(jì)算光學(xué)成像——“借你一雙慧眼”能夠出現(xiàn)的重要原因。
1873年，德國(guó)科學(xué)家恩斯特·阿貝(Ernst Abbe)提出了基于波動(dòng)光學(xué)的衍射極限。即光學(xué)系統(tǒng)的分辨率存在上限。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，衍射極限限制了高分辨率成像。隨后，多位科學(xué)家利用計(jì)算成像技術(shù)，巧妙地通過波前編碼技術(shù)或時(shí)域稀疏特性，繞過了光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)了在活細(xì)胞內(nèi)的納米級(jí)觀測(cè)，并獲得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
2016年，基于超表面的概念，哈佛大學(xué)的科學(xué)家Federico Capasso研制了首個(gè)在可見光范圍內(nèi)有效聚焦的超透鏡（Metalens），開辟了平面光學(xué)（Flat Optics）領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)的超精細(xì)調(diào)制，有望極大地縮小成像系統(tǒng)的尺寸與成本。
2022年10月，英國(guó)《自然》雜志發(fā)表了吳嘉敏助理教授擔(dān)任第一作者的研究成果，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種集成式的掃描光場(chǎng)成像傳感器，稱為元成像傳感器，進(jìn)一步發(fā)展了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，無需額外的硬件修改即可實(shí)現(xiàn)適用于通用應(yīng)用的高速像差校正三維攝影。
這些研究成果背后，是計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)帶來的巨大應(yīng)用實(shí)踐。
吳嘉敏對(duì)鈦媒體App表示，相比傳統(tǒng)光學(xué)成像，計(jì)算光學(xué)成像是將數(shù)字化、信息化深度融合在光學(xué)設(shè)計(jì)里面，軟硬件一體化，通過計(jì)算為光學(xué)成像注入了新的“生命”。
“從理念上來說，傳統(tǒng)光學(xué)成像最核心的設(shè)計(jì)理念是‘人眼在設(shè)計(jì)’，我們把Sensor（傳感器）當(dāng)作人眼來設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。而計(jì)算光學(xué)最重要、最核心的是改變了這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，是讓機(jī)器更好地感知這個(gè)世界；從原理上來說，把數(shù)字化融入到光學(xué)成像過程當(dāng)中，在感知成像的過程中就開始進(jìn)行計(jì)算編碼，數(shù)字化建模整個(gè)成像過程，在光電轉(zhuǎn)換以后再通過計(jì)算重構(gòu)恢復(fù)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(wù)，比如圖像分類，人臉識(shí)別。把計(jì)算與成像過程完全融合在一起。”吳嘉敏表示，計(jì)算光學(xué)成像的核心作用，是能夠解決很多普通光學(xué)無法處理的瓶頸和難題。
由于計(jì)算光學(xué)成像研究?jī)?nèi)容覆蓋范圍廣，包括無透鏡成像 （FlatCam）、元光學(xué)成像等，目前還沒有一個(gè)比較明確的分類方法。按照計(jì)算成像技術(shù)所解決的應(yīng)用問題來分類，可以大致分為以下三類：
功能提升：對(duì)傳統(tǒng)方式無法獲取的光學(xué)信息，如光場(chǎng)、偏振、相干度等進(jìn)行成像或測(cè)量；
性能提升：即提升現(xiàn)有成像技術(shù)的性能指標(biāo)，如空間分辨率、時(shí)間分辨率、景深、復(fù)雜環(huán)境魯棒性等；
簡(jiǎn)化與智能化：通過單像素、無透鏡等特定技術(shù)簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)，或者以光速實(shí)現(xiàn)特定人工智能任務(wù)。
