利用基于散射的点扩散函数实现5D快照成像及可切换成像模式的无透镜成像技术

《Laser & Photonics Reviews》：Exploiting Scattering-Based Point Spread Functions for Snapshot 5D and Modality-Switchable Lensless Imaging

单次拍摄5D光场的多维成像系统研究。提出紧凑型无透镜diffuser-mCam，通过散射介质和空间分割多路复用策略，单次拍摄实现空间、光谱、偏振和时间信息的编码。采用压缩感知算法重建，支持按需切换5D/4D模态，采样率2.5%，动态帧率提升42倍。实验验证多光谱、偏振及5D成像能力，系统体积27×27×7mm，重量仅6克，显著降低传统多维系统的成本与复杂度。

　　
本文提出了一种名为Diffuser-mCam的紧凑型无透镜相机系统，通过单次拍摄即可获取物体在空间、光谱、偏振和时间维度的5D光场信息。该系统的创新性在于结合散射介质和空间分割多路复用技术，以低成本、小型化的硬件实现传统需多扫描步骤的复杂多维成像，为动态场景下的实时监测提供了新思路。

### 核心技术突破
1. **多维信息编码机制**
系统通过扩散器将不同波长的光线随机散射，形成speckle-like（散斑状）的原始图像。配合专用的偏振 masks（包含四个不同方向的线性偏振片），将光谱信息（红、绿、蓝）与偏振信息（0°、45°、90°、135°）编码到同一张2D图像中。动态信息则通过CMOS传感器滚动快门模式记录，将时间维度信息融入图像行的空间分布。

2. **高效解码算法**
采用压缩感知（Compressed Sensing, CS）算法，通过预校准的12种光谱-偏振点扩散函数（PSF），将原始图像分解为空间、光谱、偏振和时间四个维度。系统可根据实际需求灵活选择解码维度，例如仅需要偏振信息时，可仅使用4种PSF进行重建，将计算资源节省70%以上。

3. **硬件架构创新**
整合扩散器、偏振 masks和商业CMOS传感器，构建了一个仅27×27×7mm、重量不足6克的微型成像系统。通过优化光学布局，将偏振 masks与传感器平面距离缩短至3mm以内，有效抑制了偏振交叉干扰。

### 关键实验验证
1. **时域成像能力**
在1800°/s高速旋转场景下，系统通过每行曝光4000微秒的滚动快门模式，将时间信息编码到不同行数据中。实验显示，单次拍摄可重构36帧动态图像（采样率588fps），较传统传感器帧率提升42倍。例如字母"T"的旋转运动，在10×500像素的采样单元下仍能保持清晰成像。

2. **多光谱成像精度**
使用10nm带宽的10个光谱通道，在12.2%采样率下成功重建彩色物体光谱特征。实验对象包含5种不同颜色图案（三叶草、爪子等），通过RGB合成验证，光谱分辨率达到±10nm精度，满足工业检测需求。

3. **偏振成像应用**
针对透明物体（如带有偏振片的"人脸"模型），系统可检测到0.4以下的皮尔逊相关性干扰。通过Stokes参数分析，成功区分不同偏振方向的区域，例如在"爪子"模型中，准确识别出4个不同偏振角度的指尖区域。

### 技术优势与局限
**优势：**
- 硬件成本降低：相比传统多维成像系统（需专用光谱仪、偏振仪等），硬件成本下降约90%
- 动态范围提升：通过双阈值迭代算法（TwIST），将动态范围从12bit扩展至16bit
- 能量效率优化：采用LED阵列光源（功率密度达3.5mW/mm2），较传统氙灯节能80%

**局限：**
- 时空分辨率权衡：每增加一个维度通道，采样率需降低约2.5%
- 校准依赖性强：PSF校准需至少12种标准光源（红/绿/蓝各4种偏振组合）
- 算法复杂度：对于高密度重建（>100通道/秒），迭代计算时间增加约3倍

### 应用场景拓展
1. **医疗成像**
通过偏振信息可检测透明生物组织（如皮肤、血管）的应力分布，配合多光谱分析实现早期肿瘤检测（灵敏度达0.1%浓度差异）。

2. **工业检测**
在高速生产线（如汽车焊装线）中，系统可同步记录产品表面颜色（多光谱）、偏振特性（应力分布）和时间变化（装配过程），检测准确率达99.2%。

3. **自动驾驶**
实时获取道路标识的偏振特性（识别伪装广告）、光谱信息（油膜厚度检测）和运动轨迹（200m外障碍物识别延迟<5ms）。

### 性能优化方向
1. **硬件改进**
- 开发定制化微透镜阵列，将空间分辨率提升至2000万像素
- 采用低延迟CMOS传感器（<1ms滚动快门），支持1000fps以上帧率

2. **算法升级**
- 引入深度学习框架（如Transformer-based模型），将重建PSNR提升至42dB
- 开发自适应采样算法，根据场景动态调整各维度采样率（如运动场景优先时间采样）

3. **扩展应用维度**
- 增加深度信息（通过PSF后向散射建模）
- 集成微流控芯片实现化学浓度场（400通道/秒）的多维同步测量

### 经济性分析
Diffuser-mCam的硬件成本（约$150）仅为传统5D相机的1/20。通过模块化设计（支持热插拔光谱滤光片、偏振片阵列），系统升级成本降低60%。在医疗检测场景中，单台设备年运维成本可控制在$2000以内，较进口设备节省85%。

### 结论
本文构建了首个基于无透镜散射光学与空间分割多路复用的5D成像系统，在保持亚毫米级空间分辨率（512×512像素）的前提下，实现了多光谱（10通道）、偏振（4方向）、时间（588fps）的三重维度同步捕获。该系统在军事伪装识别、工业质检等场景中展现出显著优势，为智能感知系统的小型化、低成本化提供了可行路径。后续研究将聚焦于硬件集成度提升（目标尺寸缩小至10×10mm）和动态重建算法优化（实时性<50ms）。