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研究背景
计算成像技术不仅能大幅降低成像系统成本，还能显著改善其性能，如三维成像能力、单色传感器多光谱成像等。然而，计算成像方法依然存在一些挑战。大多数计算成像方法都需要特殊的光调制器，如散射板、菲涅耳区光阑（FZA）和编码光阑（能够将每个点物体映射成特殊光强分布的光调制器）。这种计算方法将记录的强度分布重建成多光谱、多维图像。由于涉及到中间重建步骤，计算成像方法被称为间接成像仪，而传统的基于透镜的成像系统则是直接成像仪。由于重建机制的限制，在计算成像中需要特殊的光调制器。此外，尽管上述计算方法相较于传统的基于镜头的成像仪能够提供更多的信息，但其重建质量却达不到传统成像仪的水平。
研究亮点
澳大利亚斯威本科技大学 Saulius Juodkazis 教授的研究小组与澳大利亚同步加速器红外光束线科学家团队的 Jitraporn Vongsvivut 教授等合作，开发了一种新的计算全息技术方法，用于生化样品的快速成像。
红外显微光谱仪采用液氮冷却的汞-镉-碲单像素探测器，严格聚焦的Cassegrain物镜对，以及逐点扫描方法来记录样品的二维信息。这种扫描方法非常耗时，限制了同步加速器光束时间内的可研究样本数量。
图1 Cassegrain物镜的三维点扩散函数
Saulius Juodkazis 教授等开发的新方法采用焦点阵列探测器代替单像素探测器，并采用较弱的卡塞格伦物镜增加样品平面内的光束直径。这种方法能够对样品进行单次二维成像。诸如编码光阑相关全息术之类的计算成像方法可以将传统成像器转换为三维成像器。不同的光学调制器（如散射板、菲涅耳区光阑和使用飞秒激光烧蚀技术在氟化钙和氟化钡基板上制造的随机针孔阵列掩模）被引入显微光谱单元，来实现编码光阑相关全息术。然而，上述调制器要求在Globar源的限制之外有很高的光子预算。在研究过程中，他们注意到， Cassegrain物镜产生的三维点扩散强度分布具有尖锐的自相关函数和随深度变化的低互相关值。这对于计算三维成像是非常有利的。事实上，编码光阑全息方法需要像散射片这样的特殊调制器，因为它们在深度或波长上产生了尖锐的自相关函数和低的互相关函数。
该项工作最重要的创新点是，提出了一种新的计算全息方法，能够显著提高成像质量。通过结合两种众所周知的反卷积方法，即 Lucy 和 Richardson 开发的最大似然算法以及 Rosen 开发的非线性相关方法，设计了一种新的计算全息方法。这种Lucy-Richardson-Rosen (LRR) 算法能够对从直接成像器（例如 Cassegrain 物镜）获得的强度分布进行反卷积。与以往的计算成像方法不同，在该方法中，直接成像和间接成像可以并存，这产生了重大影响。当成像条件满足时，直接形成物体的图像，系统表现为直接成像系统；当成像条件不满足时，系统表现为需要计算重构的间接成像系统。将新方法应用于澳大利亚同步加速器的红外显微光谱系统对化学样品进行成像，根据单个摄像机拍摄的化学样品和预先记录的三维点扩散函数，通过Lucy-Richardson-Rosen算法生成了化学样品的完整三维图像。因此，该方法显著提高了红外显微成像单元的成像速度。
图2 a为轴向像差为150 μm的4个针孔记录的强度图，b为其重建结果
虽然新算法辅助计算成像技术将传统的红外显微成像单元转变为三维红外显微成像单元，但对算法的进一步研究揭示了其更多令人惊讶的方面。该算法能够对多个确定性光场进行反卷积，明显优于现有的计算重建方法。由于散射场可以被具有更好信噪比和更低光子预算的确定性场所代替，相信新的重建算法将为计算成像领域带来革命性的变化。
图3 a 直接成像一束丝线在三维空间聚焦和离焦物体；b 重建结果采用Lucy- Richardson- Rosen算法
该工作以“Single-shot mid-infrared incoherent holography using Lucy-Richardson-Rosen algorithm”为题作为封面论文发表在Opto-Electronic Science 2022年第3期。
