基于傅里叶层析的超分辨率幽灵成像技术

《Optics & Laser Technology》：Super-resolution ghost imaging via Fourier ptychography

　　•本文提出了一种基于傅里叶叠阵成像的鬼影成像方案（GIFP），旨在突破鬼影成像的空间分辨率限制，实验结果表明其分辨率提升了4.0倍以上。•从现象学解释的角度，阐述了GIFP与传统傅里叶叠阵成像的物理差异。同时探讨了影响GIFP性能的因素，以及通过优化稀疏阵列单像素探测器的空间排列结构来提升其性能的方法。引言远场超分辨率成像一直是成像科学中的重要课题，在遥感与生物医学成像领域有着广泛的应用。鬼影成像技术基于光场的二阶或更高阶相关性[1]–[5]，近年来因其在遥感[5]–[8]、生物医学成像[9]–[11]以及三维成像[12]–[14]领域的潜在应用而备受关注。目前，全波段鬼影成像已得到初步验证，尤其在激光雷达、显微镜及光学加密领域取得了显著进展[5]–[16]。然而，物体平面上散斑的横向尺寸限制了鬼影成像的空间分辨率[3]–[17]。近期有一些超分辨率鬼影成像方法被提出以突破这一限制[17]–[21]：一类方法是优化照明散斑或对检测信号进行过滤，如使用余弦调制光源[18]、超瑞利散斑[19]或经过滤波处理的鬼影成像[20]，但这类方法的分辨率提升效果十分有限；另一类则依赖于图像重建算法，例如压缩感知和深度学习算法[17]–[21]，但这些方法高度依赖目标的先验信息以及较高的信噪比。傅里叶叠阵成像作为一种超分辨率成像技术，表明成像分辨率由照明系统和接收系统的数值孔径共同决定，而通过传统的多角度顺序平行照明4f成像系统，也实现了超分辨率成像的实验验证[22]–[25]。从现象学角度分析，与传统成像相比，鬼影成像中光源与探测器的位置进行了互换[2]。本文将傅里叶叠阵成像的理念引入鬼影成像的检测结构中，提出了基于傅里叶叠阵成像的鬼影成像方案（GIFP），以此突破鬼影成像的空间分辨率限制，并推导了GIFP的超分辨率机制，同时通过实验验证了其有效性。方法与理论分析图1展示了GIFP的原理验证示意图：激光束穿过直径为D的光圈以及一个旋转的磨砂玻璃盘（RGGD），从而产生伪热光场。该伪热光经过焦距为f的薄透镜L后，被分光镜分为测试路径和参考路径。在测试路径中，光线穿过目标后到达稀疏阵列单像素探测器Dt；而在参考路径中，光线则直接被CCD相机捕获。GIFP的重建过程如图3所示，可分为鬼影成像流程和傅里叶叠阵成像流程两部分。在鬼影成像的重建流程中，需要计算测试路径中每个单像素探测器（共有N×N个探测器）所获取的强度It(xt)与参考路径中CCD相机记录的强度Ir(xr)之间的相关函数ΔG(2,2)(xr,xt)，进而得到N2幅图像Ii,j(x,y)（i、j表示单像素探测器的坐标）。结果A. GIFP超分辨率能力的实验验证。为验证所提出的GIFP系统及分析结果的正确性，实验参数设定如下：激光波长为λ=532 nm，光圈直径为D=1.3 mm；透镜L的焦距为f=400 mm，其有效透光直径为25.4 mm；CCD相机的横向像素大小为6.9 μm，采样频率为75 fps，曝光时间为……结论综上所述，我们提出了一种结合傅里叶叠阵成像技术与鬼影成像系统的超分辨率GIFP方法，该方法能够突破目标平面上散斑横向尺寸对鬼影成像空间分辨率的限制。实验结果显示，该方法的超分辨率效果可超过衍射极限4.0倍以上，且其性能相当于数值孔径为12f(D+Ltfz)的相干成像，这一数值孔径是由照明系统和接收系统的参数共同决定的。作者贡献声明刘建忠：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、方法论、研究设计、形式分析、数据整理、概念构思。李宗军：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、方法论、研究设计、形式分析、数据整理、概念构思。刘存鼎：可视化处理、监督指导、研究工作。龚文林：写作——审稿与编辑、方法论、研究设计、资金获取、概念构思。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。致谢本研究部分得到了国家自然科学基金（62471323）以及苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室（ZZ2307）的支持。刘建忠|李宗军|刘存鼎|龚文林