- 作者：朱磊，邵晓鹏（西安电子科技大学物理与光电工程学院）
- 出处：光学学报
2020 第1期 P83-97 0253-2239 - 关键词：成像系统；散射成像；超衍射极限；波前整形；传输矩阵；散斑相关
- 摘要：散射在光的成像过程中无法避免,传统的光学成像技术很难解决散射引起的光波前畸变及图像失真等问题。近年来,大量的研究成果表明充分利用散射效应的成像技术可以实现透过散射介质或复杂介质成像,且具有超分辨的特性。本文在介绍散射成像基本原理的基础上,重点介绍了透过散射介质成像方法以及相关技术的研究进展,分析了散射成像尚存在的问题,最后对散射成像未来的研究方向进行了展望。
- 下为部分内容：
- １ 引 言
生活中，人们观察物体、辨别物体时总是遵循着“光沿直线传播”“所见即所得”的传统光学成像规律，常见的视觉成像系统如人眼、照相机，以及光学成像工具如放大镜、显微镜和望远镜等都以此为物理基础。传统的光学成像主要通过提取弹道光（或抑制散射光）的方式解决透过无散射（或者弱散射）介质的成像问题。当光透过生物组织、烟尘和云雾等强散射介质时，传统的光学成像规律就会失效。其主要原因是光在强散射介质中传播时，介质中大小为波长量级的粒子对入射光波产生的散射作用使原本有序的波前相位发生了严重畸变，出射光场变得随机且紊乱，最终在观测面上只能接收到散斑图案，难以实现对目标的观测或成像。因此，散射效应成为制约透过散射介质成像技术发展的瓶颈和关键问题。 近年来，计算机技术的飞速发展、介观物理研究的深入、计算成像思想的完善和图像处理技术的发展，促进了以物理机制为基础的计算光学成像技术的发展。计算光学成像技术作为新型的成像手段，不仅推动了传统成像技术的发展，而且在解决
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散射成像方面表现出了得天独厚的优势。经过各国科学家们的不懈努力，计算成像理论及相关实验技术迅速发展，取得了许多突破性的研究成果。在弹道光提取方面，自适应光学成像技术［１］、门选通技术［２－３］、光学相干层析技术［４］、共聚焦显微技术［５］、多光子显微技术［６－７］、光声显微技术［８－９］、复合荧光分子层析技术［１０］、多光谱光声层析技术［１１－１２］等光学成像技术的发展及应用，解决了天文成像、水下探测和生物成像等领域的关键问题。在散射光利用方面，空间光调制器（ＳＬＭ）、数字微镜器件（ＤＭＤ）、微机电系统调制器（ＭＥＭＳ）等数字波前整形器件的出现，促进了计算成像技术与散射成像技术的有机结合，涌现出了许多新型的光学成像技术，如光学相位共轭［１３］、波前反馈调节［１４－１７］、光学传输矩阵［１８－２０］等，极大地促进了散射成像技术在显微成像领域的应用。与此同时，随着对光学记忆效应［２１］的深入研究，散斑相关成像技术［２２－２３］的提出为透过散射介质成像打开了崭新的局面。随着计算光学成像的进一步发展，基于点扩展函数工程［２４］和深度学习［２５］的方法，也成为了解决透过散射介质成像的重要途径。纵观散射成像的发展历程，散射成像技术已从早期的基础理论研究发展到了实验室中的模型验证研究，继而又发展到了透过散射介质成像的应用研究。早期的散射成像技术注重于克服散射或抑制散射，通过弹道光与散射光的分离，最终获取有效的目标信息。现阶段的散射成像技术则侧重于散射光的利用，充分挖掘散射光的特性，实现从不可探测到可探测的质的飞跃。值得注意的是，散射成像技术不
- 仅在显微成像和超分辨成像方面有着广泛的应用，而且也将在全息成像、光纤成像和光通信等领域扮演着重要的角色。
目前，透过散射介质的成像方法主要有波前整形和基于光学记忆效应的散射成像技术。波前整形技术包含光学相位共轭、基于反馈优化的波前整形和光学传输矩阵技术三部分，该技术主要研究光波在介质中的传播规律及特性，为散射效应的利用奠定了基础。基于光学记忆效应的散射成像技术包括散斑相关成像技术和点扩展函数工程成像技术两部分，该技术的核心在于对散斑能量的利用，利用散斑的分布特点实现透过散射介质成像及相关工作。本文分别对以上方法在散射成像方面的成果及进展进行归纳和总结，并对其未来的发展趋势进行了展望。