圖1 高動(dòng)態(tài)范圍成像的復(fù)振幅超構(gòu)表面設(shè)計(jì)。 (a) 傳統(tǒng)單次拍攝雙圖像獲取方案。 (b) 本文提出的復(fù)振幅超構(gòu)透鏡，用于在單次曝光中獲得雙圖像。 (c) 圖(b)中超構(gòu)透鏡的振幅與相位分布。 (d) 構(gòu)建該復(fù)振幅超構(gòu)透鏡所用的單元結(jié)構(gòu)。 (e) 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的振幅與相位響應(yīng)。 (f) 圖(e)中白圈標(biāo)記的所選結(jié)構(gòu)在復(fù)平面上的復(fù)振幅調(diào)制結(jié)果。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部、中國(guó)科學(xué)院空間激光信息傳輸與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，采用雙原子干涉的原理設(shè)計(jì)了具有復(fù)振幅響應(yīng)和偏振無(wú)關(guān)響應(yīng)的超表面，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)健且完整的復(fù)振幅調(diào)制，使用單層超表面替代傳統(tǒng)高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)系統(tǒng)中的多個(gè)組件。將超表面與普通相機(jī)集成，通過(guò)單幀測(cè)量獲取高曝光和低曝光兩幅圖像，進(jìn)行圖像融合后可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 17.5 dB 的動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)，幾乎不會(huì)增加系統(tǒng)的重量和占用空間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案在實(shí)時(shí) HDR 成像方面具有顯著潛力。相關(guān)成果以“Single-layer metasurface for snapshot high-dynamic-range imaging”為題，發(fā)表于Photonics Research。

由于探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍有限，成像系統(tǒng)在面對(duì)大強(qiáng)度變化的環(huán)境時(shí)，常常會(huì)遇到過(guò)曝或欠曝的問(wèn)題，圖像中亮部和暗部的細(xì)節(jié)往往無(wú)法在單幀畫面中有效保留。這一問(wèn)題在智能手機(jī)攝影、顯微成像、先進(jìn)制造和自動(dòng)駕駛等應(yīng)用中十分常見。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，開發(fā)實(shí)時(shí)HDR成像設(shè)備具有重要意義。常見且直接的解決方案是依次拍攝同一場(chǎng)景的多張不同曝光設(shè)置的照片，但這并不適用于視頻拍攝。多路徑成像系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器的要求較低并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)成像，然而，基于這種方法的成像設(shè)備往往體積龐大。一些研究提出了特殊的 HDR 傳感器，這些傳感器對(duì)光具有獨(dú)特的響應(yīng)特性，但目前制造成本較高。

圖2 動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (a) 實(shí)驗(yàn)成像裝置，F(xiàn)I：濾光片，TL：管透鏡，Obj：物鏡， Meta：超透鏡。 (b) 系統(tǒng)捕獲的原始圖像。 (c) 圖像的真值。 (d, e) 從(b)中裁剪出的低強(qiáng)度和高強(qiáng)度圖像。 (f) 將(d)和(e)融合得到的圖像。 (g-i) 從(d-f)中虛線處提取的強(qiáng)度分布。所有圖像均以歸一化方式顯示。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)復(fù)振幅調(diào)控設(shè)計(jì)單層超表面，該超表面能夠集成傳統(tǒng) HDR 成像系統(tǒng)中多個(gè)分立元件的功能。得益于其對(duì)偏振不敏感的全空間振幅與相位調(diào)控機(jī)制，單層器件可在單次拍攝中獲得多張不同曝光水平的高保真圖像;經(jīng)融合處理后，圖像動(dòng)態(tài)范圍得以有效擴(kuò)展。采用強(qiáng)度比 10:1 的雙通道成像配置，理論上可將動(dòng)態(tài)范圍提升 20 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所演示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍改善可達(dá) 17.5 dB 甚至更高。該設(shè)計(jì)在重量和體積上與常規(guī)單次成像系統(tǒng)相當(dāng)，因而適用于監(jiān)控、工業(yè)制造及車載等對(duì)輕量化、超緊湊和實(shí)時(shí) HDR 成像有需求的場(chǎng)景。

相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃以及上海市科技重大專項(xiàng)的支持。

審核編輯 黃宇